Новое исследование совершило прорыв в технологии натрий-ионных аккумуляторов: ученые добились высокой обратимости окислительно-восстановительных реакций на катоде и аноде. Это ключ к увеличению срока службы батарей и их энергоемкости.

Команда разработала катодный материал со структурой пчелиных сот — Na₀.₇₈Ni₀.₁₂Li₀.₁₈Mn₀.₇O₂ (NNLMO). В нем сочетаются две упорядоченные решетки: NiMn₆ и LiMn₆. Такая конструкция стабилизирует реакции с участием кислорода и предотвращает разрушение структуры. В результате батарея выдает емкость 224 мА·ч/г и сохраняет 92% заряда после 50 циклов.

Результаты опубликованы в издании Advanced Materials.

Натрий-ионные аккумуляторы (НИА) считают дешевой и экологичной альтернативой литиевым, особенно для крупных энергохранилищ. Но главная проблема — низкая энергоемкость и нестабильность. Обычные катоды на основе оксидов металлов с кислородной активностью дают высокую емкость, но быстро деградируют из-за потери кислорода и перестройки структуры.

Исследователи из Нанкайского и Сучжоуского университетов предложили решение — катод с двойной решеткой.

Они изучили его поведение с помощью расчетов, рентгена и ЯМР-спектроскопии. Оказалось, что никель играет роль стабилизатора, а чередование NiMn₆ и LiMn₆ блоков мешает перемещению марганца и утечке кислорода.

Напряжение в такой батарее меняется плавно, без резких скачков, а выделение кислорода снижается вдвое. Эксперименты подтвердили, что реакции с участием марганца, никеля и кислорода полностью обратимы. Катод почти не меняет объем при заряде-разряде (всего 1,5%), что резко повышает его долговечность.

Наш подход — это прорыв в стабилизации катодов с кислородной активностью, — говорит профессор Фанги Ченг. — Двойная решетка с никелем дает симметричные реакции и прочную структуру, чего раньше не удавалось добиться в НИА. Этот принцип можно применять и в других типах аккумуляторов.

Технология приближает коммерческое использование натрий-ионных батарей. Следующий шаг — масштабирование и адаптация для других систем.

Польза исследования

• Дешевле лития — натрий доступнее, а значит, аккумуляторы будут стоить меньше.
• Долгий срок службы — стабильная структура катода увеличит циклы заряда.
• Безопасность — меньше риска возгорания из-за подавления выделения кислорода.

Такие батареи идеальны для сетевых хранилищ энергии, где важны стоимость и надежность.

Пока исследование проверено только в лаборатории. Реальные условия — перепады температур, быстрые заряды — могут выявить скрытые проблемы.

Ранее ученые создали реактор для безопасной добычи лития из соляных растворов.