Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США добились значимого продвижения в преодолении барьеров на пути к коммерциализации натрий-ионных аккумуляторов.
Наибольшей сложностью для продвижения натрий-ионных аккумуляторов является быстрое снижение производительности катодов при многократном циклировании. Однако группа учёных из Аргонна разработала инновационную конструкцию катода на основе оксида натрия, вдохновлённую их предыдущими разработками в области катодов на основе оксида лития, которые доказали свою высокую ёмкость и долговечность.
Главным элементом обоих проектов является использование катодных частиц, содержащих смесь переходных металлов, таких как никель, кобальт, железо или марганец, которые распределены неравномерно. Например, никель располагается в центре частицы, а кобальт и марганец образуют оболочку. Эти металлы выполняют различные функции: марганец увеличивает структурную устойчивость при циклировании, а никель обеспечивает высокую ёмкость хранения энергии.
Однако, в ходе тестов новой конструкции было выявлено, что ёмкость катодов со временем снижалась из-за образования трещин в частицах во время циклирования. Эти трещины появляются из-за напряжения между оболочкой и ядром. Исследовательская группа стремилась устранить это напряжение, улучшая методику подготовки катодов.
Для начала процесса синтеза используется гидроксид, содержащий никель, кобальт и марганец. Учёные создали две версии этого гидроксида: одну с градиентным распределением металлов от ядра к оболочке, и другую с равномерным распределением металлов по всей частице.
Команда нагревала смесь исходного материала и гидроксида натрия до 600°C, затем поддерживала эту температуру некоторое время и охлаждала до комнатной температуры. Исследователи также варьировали скорость нагрева.
В ходе обработки отслеживались структурные изменения свойств частиц с использованием установок Управления науки Министерства энергетики: Advanced Photon Source в Аргонне и National Synchrotron Light Source II в Брукхейвенской национальной лаборатории.
«Благодаря рентгеновским лучам мы можем наблюдать изменения в составе и структуре частиц в реальном времени при реалистичных условиях синтеза», — объясняет Вэньцянь Сюй, работающий на линии пучка в Аргонне.
Исследователи также использовали Центр наноматериалов (CNM) и суперкомпьютер Polaris в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) для дополнительного анализа и создания 3D-изображений.
Первоначально не было замечено трещин в однородных частицах, но в градиентных частицах они появлялись при температурах до 250°C. Трещины начинались в ядре и на границе ядра и оболочки, а затем перемещались к поверхности. Градиент металлов вызывал значительную деформацию, приводящую к трещинам.
«Мы знали, что градиентные частицы могут создавать катоды с высокой ёмкостью, поэтому нашли условия термической обработки, при которых удавалось избежать трещин», — отметил Вэньхуа Цзо, постдокторант в Аргонне.
Ключевым фактором оказалась скорость нагрева. Трещины формировались при скорости нагрева 5 градусов в минуту, но не при медленной скорости 1 градус в минуту. Испытания в небольших ячейках с медленным нагревом показали высокую производительность в течение более 400 циклов.
«Избегание трещин в процессе синтеза катода приносит значительные преимущества при последующем циклировании. Хотя натрий-ионные аккумуляторы ещё не готовы для дальних поездок, они идеальны для городского использования», — добавил соавтор Гуй-Лян Сюй.
Команда также стремится исключить никель из катодов, что позволит снизить затраты и улучшить экологичность.
«Вероятность успеха в развитии натрий-ионных аккумуляторов очень высока. Они обладают рядом преимуществ, включая низкую стоимость, долгий срок службы и сопоставимую с литий-железо-фосфатными катодами плотность энергии, что приведёт к созданию более устойчивых электромобилей с хорошим запасом хода», — заключил Халил Амин, почетный член Аргоннского университета.
Натрий-ионные аккумуляторы могут стать жизнеспособной альтернативой литий-ионным, которые сейчас доминируют на рынке. Несмотря на высокую плотность энергии, литий-ионные аккумуляторы имеют высокую стоимость и не всегда экологичны. В отличие от них, натрий-ионные аккумуляторы стоят дешевле и могут быть значительно более экологичными, так как натрий встречается гораздо чаще, чем литий.
Источник: iXBT
