Коллектив сотрудников кафедр радиохимии и электрохимии химического факультета МГУ совместно с учёными из Сколковского института науки и технологий подробно исследовал новое соединение для катода в натрий-ионных аккумуляторах. Полученные данные позволяют описать механизм работы катода и создать материалы для нового типа более дешёвых и доступных батарей. Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. Исследование поддержано грантом Минобрнауки № 075-15-2022-1107, результаты опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

Сегодня мы не можем представить свою жизнь без портативных электронных устройств. В каждом из них есть аккумулятор, который необходимо многократно и быстро заряжать, чтобы сохранять их мобильность. Самый популярный тип батарей — литий-ионные. Высокая плотность заряда и безопасность для окружающей среды — безусловные преимущества этих аккумуляторов. Однако количество лития для производства ограничено запасами месторождений, а его цена на рынке металлов нестабильна. Поэтому задача учёных и технологов — найти новые экономически доступные материалы. Одно из решений — замена лития на более дешевый натрий в материале катода и создание натрий-ионных аккумуляторов. Принцип работы батареи при этом не меняется: ионы щелочного металла изначально находятся между плоскостями соединения со слоистым строением, а в процессе заряда батареи покидают структуру и движутся к аноду; при разрядке батареи ионы возвращаются к катоду и встраиваются обратно в межслоевое пространство. Материал для натриевого электрода схож по составу с литиевым. Как правило, для изготовления катодов используют смешанные соли или оксиды металлов (например, LiFePO₄ или NaFeO₂), однако наиболее перспективными считаются структуры с несколькими различными металлами. Одно из таких соединений с составом NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂, изучила исследовательская группа МГУ и Сколтеха.

Материал обладает хорошими электрохимическими характеристиками, однако измерение емкости и плотности заряда — только начало. «Когда мы обнаруживаем материал, который хорошо себя проявляет, мы задаемся вопросом — почему так происходит с точки зрения процессов внутри структуры? — рассказывает один из авторов работы, ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ Игорь Пресняков. — Когда ионы натрия покидают катод, другие металлы в соединении могут изменять свой условный заряд, чтобы сохранить электронейтральность материала. Наша задача — понять, какой из металлов в структуре первым реагирует на выход натрия из межслоевого пространства, в какой последовательности они будут изменять свои степени окисления. Эти данные помогут нам не только разработать новые материалы, но и решить проблемы уже существующих аккумуляторов».

Чтобы заглянуть внутрь катода, химики использовали несколько различных методов. Среди преимуществ всех приборов особенно важна их селективность, возможность выбрать конкретный элемент (например, атомы никеля) и наблюдать только за его изменениями степени окисления или химического окружения. Один из методов — абсорбционная спектроскопия рентгеновского поглощения (XAS). Обычно XAS реализуется на крупных установках мегасайенс — синхротронах. Однако на кафедре радиохимии химического факультета МГУ смогли создать лабораторный спектрометр, который не уступает им по техническим характеристикам. «Очень часто попасть на синхротрон невозможно из-за большого количества желающих, — поясняет автор работы, младший научный сотрудник кафедры радиохимии Даниил Новичков. — Кроме того, время анализа на таких установках ограничено, поэтому круг исследований сужается. В этой работе благодаря постоянному доступу к прибору нам удалось изучить цикл заряда-разряда катода в режиме operando. Мы не отключали ячейку от источника тока во время измерений. Образец находился под рентгеновским пучком около 30 часов, и это уникальный эксперимент — нигде больше в России или Европе вы не сможете провести такой длительный анализ методом XAS».

Результаты исследования NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂  с помощью этого прибора в сочетании с другими аналитическими методами помогли учёным понять, какие изменения происходят в структуре соединения в процессе работы катода. «Мы выяснили, что первым на выход натрия из структуры “реагирует” никель, его можно назвать самым активным металлом в этом соединении. Кроме того, нам удалось узнать, почему уменьшается емкость аккумулятора с позиции структурных изменений. Поэтому одна из наших задач в будущем — найти способы предотвратить деградацию катода», — рассказывает Игорь Пресняков.

Авторы работы планируют продолжать исследования в области материалов для аккумуляторов новых типов. Кроме того, уже сейчас они применяют XAS для изучения самых разных объектов: от радиоактивных изотопов до органических комплексных соединений. По мнению учёных, этот метод позволит им и коллегам из разных областей химии выйти на новый уровень исследований.

Источник: МГУ.