Как выяснили ученые частного исследовательского Токийского университета науки (Tokyo University of Science), специализирующегося на научных и технологических исследованиях, использование оксидов на основе марганца при производстве катодов натрий-ионных аккумуляторов является перспективным инновационным решением. Новый метод, разработанный японскими исследователями, не только повышает производительность натрий-ионных аккумуляторов, но и увеличивает срок их службы.
Натрий является шестым по распространенности элементом на Земле и обеспечивает большую доступность натрий-ионных аккумуляторов по сравнению с литий-ионными. Однако, считающиеся экономичной и устойчивой альтернативой литий-ионным батареям, натриевые аккумуляторы в некоторых условиях имеют свои проблемы. В этих условиях слоистый оксид марганца натрия (NaMnO2) привлек повышенное внимание японских исследователей в связи с его использованием в качестве катодного материала в натрий-ионных аккумуляторах. Благодаря относительно низкой стоимости марганца и натрия, их использование обещает получить доступные и менее дорогостоящие решения для создания инновационных аккумуляторов для различных приложений, включая смартфоны и электромобили.
В частности, японские исследователи обнаружили, что NaMnO2 существует в двух кристаллических формах: α-NaMnO2 и β-NaMnO2. Α-фаза имеет моноклинную слоистую структуру, в которой плоские слои MnO2, состоящие из искаженных октаэдров MnO6 с общими краями, чередуются с ионами натрия между собой. β-NaMnO2, с другой стороны, имеет гофрированные или зигзагообразные слои искаженных октаэдров MnO6, разделяющих края, также с ионами натрия между ними. Согласно пресс-релизу Токийского университета науки по результатам проведенных исследований, синтез β-NaMnO2 обычно требует более высоких температур, что часто приводит к образованию натрий-дефицитных фаз.
В то же время исследователи Токийского университета науки отметили, что попытки предотвратить образование натрий-дефицитных фаз приводят к образованию неравновесных β-фаз, которые имеют ряд дефектов. Наиболее заметными из них являются дефекты упаковки (SFs), образующиеся в результате смещения кристаллографической плоскости b-c, что приводит к образованию последовательностей укладки, напоминающих α-фазу. Однако, электроды, изготовленные из SF-содержащего β-NaMnO2, подвержены серьезному снижению емкости во время циклов заряда/разряда, что ограничивает их практическое применение. “В предыдущем исследовании мы обнаружили, что среди легирующих примесей металлов Cu является единственной легирующей примесью, которая может успешно стабилизировать β-NaMnO2”, - сказал профессор Шиничи Комаба из департамента прикладной химии Токийского научного университета. “В этом исследовании мы систематически изучали, как легирование медью может подавлять SF и улучшать электрохимические характеристики электродов β-NaMnO2 в натрий-ионных батареях”.
Исследование японских ученых, опубликованное в журнале Advanced Materials, показало, что NMCO-12 не демонстрирует снижения производительности в течение 150 циклов. Это указывает на то, что β-фаза, не содержащая SF, обладает высокой обратимостью и устойчивостью к анизотропному скольжению пластин и значительным изменениям объема кристаллической решетки во время извлечения и введения натрия. Эти результаты свидетельствуют о значительном влиянии оксидов на основе марганца на натрий-ионные аккумуляторы. Указанное исследование также демонстрирует, что стабилизация SF с помощью легирования медью может устранить уязвимости, с которыми обычно сталкиваются металлы, такие как литий.
Согласно пресс-релизу Токийского научного университета, результаты исследования могут быть успешно использованы при производстве инновационных аккумуляторов.