Новости

6 Ноября, 2019 16:48

Химики МГУ создали новый материал для натрий-ионных аккумуляторов

Сотрудники Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова синтезировали перспективный материал для натрий-ионных батарей – более дешевой альтернативе литий-ионным аккумуляторам.
Фото: Олег Дрожжин со своим студентом Ильей Тертовым. Источник: Химический факультет МГУ
Фото: детали для электрохимических ячеек. Источник: Химический факультет МГУ
Фото: электрохимические ячейки для тестирования новых материалов, разработанные в МГУ. Источник: Химический факультет МГУ
3 / 4

Стремительное развитие технологии литий-ионных аккумуляторов, появившейся в начале 1990-ых годов, произошло в связи с ростом популярности портативной электроники: мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и других гаджетов. Сейчас рынок источников энергии продолжает развиваться благодаря повсеместному внедрению электротранспорта, робототехники, систем хранения и распределения электроэнергии. Можно сказать, что литий-ионные аккумуляторы изменили мир. За их изобретение даже вручена Нобелевская премия по химии 2019 года.

Но дальнейшее развитие технологии литий-ионных аккумуляторов упирается в серьезную проблему – в возможный "потолок" литиевых ресурсов при нынешнем уровне технологий добычи самого легкого металла, а также в высокую стоимость сырья. Частичный переход на альтернативный носитель заряда в аккумуляторах – натрий - может помочь решению проблемы.

Натрий-ионный аккумулятор имеет энергетические характеристики, близкие к литий-ионному, но основной рабочий катион примерно в сто раз дешевле лития (стоимость тонны карбоната натрия и лития оценивается примерно в $200 и $20 тысяч соответственно), а химические свойства натрия позволяют использовать легкий и дешевый алюминий вместо тяжелой и дорогой меди на анодном токосъемнике. Но не всё так идеально - больший радиус иона натрия по сравнению с литиевым приводит к уменьшению плотности энергии электродного материала. С этим связано главное ограничение натрий-ионных аккумуляторов – для достижения энергоемкости, сравнимой с литий-ионными, их размер должен быть на 30-50% больше. Поэтому натрий-ионные аккумуляторы пока не могут найти применения в портативной электронике, но уже перспективны в качестве крупногабаритных батарей, начиная с уровня электромобиля (десятки киловатт-часов энергии) и заканчивая масштабом электростанций (мега- и гигаватт-часы).

Сотрудники Кафедры электрохимии МГУ под руководством старшего научного сотрудника, к.х.н. Олега Дрожжина впервые синтезировали и охарактеризовали электрохимические свойства натрий-ванадиевого пирофосфата β-NaVP2O7. 

"Пока поиск нового материала для электрохимических приложений по большей части ведется на базе эмпирических предположений ученых – они отмечают интересные свойства в соединениях сходного состава и структуры и пытаются получить новые, улучшенные материалы. Группа Олега Дрожжина обнаружила интересную структуру, ранее описанную только для крупных щелочных катионов – калия, рубидия, цезия - и попробовала синтезировать новое соединение с натрием с целью проверить его электрохимические свойства. Они оказались уникальными", - прокомментировал результат работы и.о. декана Химического факультета МГУ, член-корреспондент РАН Степан Калмыков.


Фото: С.н.с. кафедры электрохимии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Олег Дрожжин. Источник: Химический факультет МГУ

Энергоемкость исследованного материала достигает 420 Вт*ч/кг, что всего на 20% меньше, чем у литиевого катодного материала LiCoO2  (530 Вт*ч/кг), и значительно выше энергоемкости многих ранее изученных потенциальных натриевых катодных материалов. Другой важной характеристикой электродного материала является крайне малое – всего полпроцента - изменение объема при заряде-разряде. Схожими свойствами обладает литий-титановая шпинель, которая оказалась самым стабильным, мощным и безопасным анодным материалом и потому нашла применение в аккумуляторах электрокаров и электробусов.

"Изменение объема при циклировании напрямую влияет на такой важный показатель, как потеря емкости со временем. Чем меньше меняется объем материала при заряде-разряде, тем дольше он сможет стабильно работать. Множество соединений так и не нашли применение в аккумуляторах из-за значительного изменения в объеме", - комментирует Олег Дрожжин.

Электрохимики получили материал, каркас которого может обратимо отдавать и внедрять до двух катионов натрия на одну элементарную ячейку, от состава VP2O7 до Na2VP2O7.  Суммарная емкость такого циклирования – около 220 мАч/г, что стало рекордной величиной для подобных материалов. Кроме того, это означает, что пирофосфат потенциально может стать и анодным материалом натрий-ионных аккумуляторов. В дальнейшем специалисты планируют ещё улучшить электрохимические свойства соединения за счет изменения начальной степени окисления ванадия и частичного замещения его на другие катионы.

Исследование опубликовано в журнале Chemistry of Materials.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

25 Февраля, 2020
Биоритмы мозга выдали движения рук человека
Ученые выяснили, что уровень "хаотичности" электрических сигналов, которые вырабатывает мозг человек...
21 Февраля, 2020
Бактерии и биоуголь спасли ячмень от отравления тяжелыми металлами
Российские почвоведы и биологи придумали, как с помощью бактерий и биоугля можно очищать почву ...