Текст уведомления здесь

Российские ученые нашли причину плохой зарядки металл-ионных батарей

Во всем виноват «полуподвижный» кислород в составе катодного материала.
Добавить в закладки
Комментарии

Российские химики во главе с Евгением Антиповым и Артемом Абакумовым из Сколтеха разобрались в процессах, происходящих на катоде литиевых и натриевых металл-ионных батарей. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

В металл-ионных батареях переносчиком заряда являются положительно заряженные ионы металла. Когда батареи накапливает энергию, они покидают кристаллическую решетку сложносоставного катода и сквозь пропитанный электролитом сепаратор диффундируют в сторону анода. В процессе разрядки происходит обратное движение: ионы металла возвращаются на катод и занимают свои позиции в кристаллической решетке.

Самый распространенный тип таких батарей — литий-ионные. Благодаря своей отличной емкости и легкости они сейчас часто применяются в различных носимых устройствах и гаджетах. Однако запасы лития в мире ограничены, и в связи с большой востребованностью литий-ионных батарей цены на него поднимаются уже на протяжении более 10 лет. Сейчас ученые пытаются заменить литий на натрий — этот металл дешев и широко распространен и в природе. Использование натрия не только снизит стоимость носимых гаджетов, но и позволит сконструировать более крупные металл-ионные аккумуляторы, например, для возобновляемой энергетики. Однако свойства натрия сильно отличаются от лития: его ионы крупнее и менее подвижные. Из-за этого сконструировать эффективно работающие натрий-ионные батареи — непростая задача.

Российские ученые разобрались в процессах, которые происходят на катодах литиевых и натриевых аккумуляторов. В своей работе они рассмотрели слоистый смешанный фтор-фосфат натрия и железа — Na2FePO4F, который часто используется в качестве катодного материала. Тщательный анализ катода до и после зарядки выявил значительную роль в его работе «полуподвижного» кислорода — так авторы назвали ионы кислорода, которые связаны с ионами щелочного металла и фосфором, но не связаны с железом.

Дело в том, что в решетке Na2FePO4F есть две неэквивалентные позиции щелочного металла: для тех металлов, вокруг которых больше такого «полуподвижного» кислорода, энергетический барьер выхода из решетки значительно выше, а значит, они не склонны покидать свои позиции и участвовать в перезарядке батареи. В случае лития это оказалось не так критично, так как, когда ионы из активной (не связанной с полуподвижным кислородом) позиции покидают решетку, в ней происходят изменения, которые постепенно активизируют и ранее неактивные (связанные с полуподвижным кислородом) ионы. А вот для натрия такой механизм не работает, поэтому зарядка натриевых батарей происходит менее эффективно.

Вероятно, открытый россиянами механизм может наблюдаться и в других катодных материалах со схожей структурой, а значит, позволит понять проблемы работы большого класса металл-ионных аккумуляторов.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы