Исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН и Еврейского университета в Иерусалиме создали новый композитный материал для анодов в натрий-ионных батареях. Он основан на сочетании наночастиц сульфида германия и MXene, двумерного карбида титана. Это решение открывает путь к созданию батарей, способных очень быстро заряжаться и сохранять высокую ёмкость в течение тысяч рабочих циклов.
Недостатки современных аккумуляторов в значительной степени связаны с ограничениями анодных материалов. Эти материалы можно условно разделить на три типа. Первый и наиболее распространённый – интеркаляционные материалы, такие как графит. Они обеспечивают стабильность и долговечность, но не обладают высокой удельной ёмкостью. Второй тип представлен конверсионными материалами, например оксидами или сульфидами переходных металлов. Они обеспечивают накопление большего количества энергии, но их работа приводит к полной перестройке их структуры, что вызывает значительные изменения в объёме и ускоряет износ электрода. Третий тип – дрейф-вуды, такие как кремний или олово, образующие сплавы с ионами щелочных металлов. Они обеспечивают рекордно высокую ёмкость, но приводят к колоссальному (до 300 %) увеличению объёма, а значит, к быстрой потере производительности. Преобразовательным и легированным анодам также свойственен выраженный гистерезис напряжения — разница между зарядом и разрядом, которая приводит к потере до четверти энергии в виде тепла.
Исследователи предложили решение на наноуровне. Они использовали MXene в качестве проводящей и механически прочной основы и разместили на её поверхности сверхмалые частицы сульфида германия. Такая конструкция предотвращает прилипание и агломерацию активных частиц во время циклов зарядки и разрядки. MXene – это проводящая матрица и амортизирующая структура, воспринимающая механические деформации, а сульфид германия обеспечивает высокую ёмкость за счёт сочетания механизмов работы на основе преобразования и на основе сплава.
Тесты показали впечатляющие результаты. Новый анодный материал был исключительно стабилен даже при чрезвычайно высокой скорости зарядки. При увеличении плотности заряда в 30 раз потеря ёмкости составила менее 15 %. При токах выше 1 А/г композит GeSₓ/MXene значительно превосходил аналоги на основе оксида графена, что подтверждает эффективность MXene в качестве проводящей матрицы.
Алексей Михайлов, один из авторов исследования, старший научный сотрудник Института общей и неорганической химии, отметил, что ключевым фактором успеха стал метод синтеза с использованием поверхностно-активных веществ, который позволил контролировать размер частиц и предотвращать их агломерацию. Сочетание высокой электропроводности MXene и высокой ёмкости сульфида германия обеспечило сильный синергетический эффект, благодаря чему новый композит стал очень перспективным решением для аккумуляторов следующего поколения.
Таким образом, исследование российских и израильских учёных стало важным шагом в разработке альтернативных технологий накопления энергии, которые в будущем могут успешно конкурировать с литий-ионными аккумуляторами.
Источник: Ассоциация «Глобальная энергия»
Оцените новость 0 0 0 0 0 0 0