Учёные решают ключевую проблему натрий-ионных батарей: новая конструкция катода предотвращает разрушение и открывает путь к устойчивой энергетике

Технология предотвращает образование трещин в натрий-ионных батареях, увеличивая их срок службы

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США добились значительного прогресса в решении проблемы, препятствующей коммерциализации натрий-ионных аккумуляторов.

Основным препятствием для коммерциализации натрий-ионных аккумуляторов является быстрое снижение производительности катода, содержащего натрий, при многократном разряде и заряде. Однако команда Аргонна разработала новую конструкцию катода из оксида иона натрия, которая тесно связана с более ранней конструкцией Аргонна для катода из оксида иона лития с доказанной высокой ёмкостью хранения энергии и длительным сроком службы.

Ключевой особенностью обеих конструкций является то, что катодные частицы содержат смесь переходных металлов, среди которых могут быть никель, кобальт, железо или марганец. Эти металлы неравномерно распределены в отдельных катодных частицах. Например, никель находится в ядре, вокруг этого ядра находятся кобальт и марганец, которые образуют оболочку. Эти элементы служат разным целям. Богатая марганцем поверхность придаёт частице структурную устойчивость во время цикла заряда-разряда. А богатое никелем ядро обеспечивает высокую ёмкость для хранения энергии.

Однако при тестировании этой конструкции ёмкость катода для хранения энергии неуклонно снижалась. Проблема была связана с образованием трещин в частицах во время циклирования. Эти трещины образовались из-за напряжения, возникающего между оболочкой и ядром в частицах. Команда стремилась устранить это напряжение, отточив метод подготовки катода.

Исходным материалом, используемым для начала процесса синтеза, является гидроксид. Помимо кислорода и водорода, он содержит три металла: никель, кобальт и марганец. Команда создала две версии этого гидроксида: одну с металлами, распределёнными в градиенте от ядра к оболочке, и, для сравнения, другую с тремя металлами, равномерно распределёнными по каждой частице.

Для получения конечного продукта команда нагревала смесь исходного материала и гидроксида натрия до температуры 600°C, поддерживала её при этой температуре в течение определенного периода времени, затем охлаждала до комнатной температуры. Исследователи также пробовали разные скорости нагрева.

В течение всей этой обработки команда отслеживала структурные изменения свойств частиц. Анализ включал использование двух пользовательских установок Управления науки Министерства энергетики: Advanced Photon Source (каналы пучка 17-BM и 11-ID) в Аргонне и National Synchrotron Light Source II (канал пучка 18-ID) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики.

«Используя рентгеновские лучи на этих объектах, мы можем определять изменения в составе и структуре частиц в реальном времени в реалистичных условиях синтеза», — сказал Вэньцянь Сюй, работающий на линии пучка в Аргонне.

Команда также использовала Центр наноразмерных материалов (CNM) в Аргонне для дополнительного анализа, чтобы охарактеризовать частицы, и суперкомпьютер Polaris в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) для реконструкции рентгеновских данных в подробные 3D-изображения.

Первоначальные результаты не выявили трещин в однородных частицах, но трещины, образующиеся в градиентных частицах при температурах до 250°C. Эти трещины появились в ядре и на границе ядро-оболочка, а затем переместились на поверхность. Градиент металла вызывал значительную деформацию, приведшую к этим трещинам.

«Поскольку мы знаем, что градиентные частицы могут создавать катоды с высокой ёмкостью хранения энергии, мы хотели найти условия термической обработки, которые позволят устранить трещины в градиентных частицах», — сказал Вэньхуа Цзо, постдокторант в Аргонне.

Скорость нагрева оказалась критическим фактором. Трещины образовывались при скорости нагрева пять градусов в минуту, но не при более медленной скорости один градус в минуту. Испытания в небольших ячейках с катодными частицами и при более медленной скорости сохраняли свою высокую производительность в течение более 400 циклов.

«Предотвращение трещин во время синтеза катода приносит большие дивиденды, когда катод впоследствии заряжается и разряжается. И хотя натрий-ионные аккумуляторы пока что не обладают достаточной плотностью энергии для питания транспортных средств на большие расстояния, они идеально подходят для городских поездок», — сказал соавтор Гуй-Лян Сюй.

Сейчас команда работает над тем, чтобы исключить никель из катода, что позволит ещё больше снизить затраты и повысить экологичность.

«Перспективы кажутся очень хорошими для будущих натрий-ионных аккумуляторов , которые не только имеют низкую стоимость и длительный срок службы, но и обладают плотностью энергии, сопоставимой с плотностью литий-железо-фосфатного катода, который сейчас используется во многих литий-ионных аккумуляторах. Это приведёт к созданию более устойчивых электромобилей с хорошим запасом хода», — сказал Халил Амин, почетный член Аргоннского университета.

Натрий-ионные аккумуляторы могут стать альтернативой литий-ионным аккумуляторам, которые доминируют на рынке в настоящее время. Литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергии, но они также имеют высокую стоимость и могут быть неэкологичными. Натрий-ионные аккумуляторы, с другой стороны, имеют более низкую стоимость и могут быть более экологичными, поскольку натрий является более распространённым элементом, чем литий.