Исследователи Федерального института исследований и испытаний материалов Германии (BAM) предложили новую конструкцию анода для натрий-ионных аккумуляторов, позволяющую снизить потери ёмкости на начальном этапе зарядки и одновременно повысить эффективность хранения энергии. Результаты работы опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Натрий-ионные аккумуляторы рассматриваются как перспективная альтернатива литий-ионным системам благодаря доступности сырья и потенциально меньшему экологическому следу. Однако их развитие до настоящего времени сдерживалось значительными потерями ёмкости при первом цикле зарядки, который происходит ещё на стадии производства батареи.
Как поясняют авторы исследования, необратимые потери энергии возникают из-за химической реакции между анодом и электролитом. В процессе первой зарядки молекулы электролита разлагаются на поверхности анода из твёрдого углерода и проникают в его поры, занимая объём, предназначенный для хранения ионов натрия. Этот процесс продолжается до формирования стабильной защитной плёнки.
Защитная плёнка предотвращает дальнейшее разрушение анода, однако сама содержит ионы натрия, что снижает доступную для накопления энергию. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, где подобная плёнка легко формируется на плотных графитовых анодах, в натрий-ионных системах графит использовать невозможно, что требует применения альтернативных материалов.
Для решения этой проблемы команда BAM разработала анод с архитектурой «ядро–оболочка». В основе конструкции — пористый твёрдый углерод, выполняющий функцию накопителя заряда. Он покрывается тонким слоем материала, который действует как фильтр: пропускает ионы натрия, но ограничивает проникновение молекул электролита.
По словам специалистов BAM, такая схема позволяет разделить процессы формирования защитной плёнки и хранения заряда. В результате сохраняется ёмкость анода и повышается стабильность работы аккумулятора при многократных циклах зарядки и разрядки.
В качестве материала для оболочки использован модифицированный активированный углерод — недорогой и доступный материал, что, по мнению авторов, повышает потенциал технологии для промышленного применения.
Разработанные анодные материалы показали начальную кулоновскую эффективность 82%, тогда как у незащищённых анодов этот показатель составлял около 18%. Исследователи отмечают, что дальнейшая оптимизация материалов может привести к дополнительному росту эффективности и ёмкости.
Авторы подчёркивают, что предложенный подход открывает возможности для дальнейших улучшений именно на стороне анода, в то время как многие предыдущие достижения в аккумуляторных технологиях были связаны преимущественно с разработкой катодных материалов.