Научные достижения химического факультета
Химики МГУ создали новый материал для натрий-ионных аккумуляторов
Сотрудники Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
синтезировали перспективный материал для натрий-ионных батарей – более дешевой
альтернативе литий-ионным аккумуляторам.
Стремительное развитие технологии литий-ионных аккумуляторов,
появившейся в начале 1990-ых годов, произошло в связи с ростом популярности
портативной электроники: мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и других
гаджетов. Сейчас рынок источников энергии продолжает развиваться благодаря
повсеместному внедрению электротранспорта, робототехники, систем хранения и
распределения электроэнергии. Можно сказать, что литий-ионные аккумуляторы
изменили мир. За их изобретение даже вручена Нобелевская премия по химии 2019
года.
Но дальнейшее развитие технологии литий-ионных аккумуляторов
упирается в серьезную проблему – в возможный "потолок" литиевых ресурсов при
нынешнем уровне технологий добычи самого легкого металла, а также в высокую
стоимость сырья. Частичный переход на альтернативный носитель заряда в
аккумуляторах – натрий - может помочь решению проблемы.
Натрий-ионный аккумулятор имеет энергетические
характеристики, близкие к литий-ионному, но основной рабочий катион примерно в
сто раз дешевле лития (стоимость тонны карбоната натрия и лития оценивается
примерно в $200 и $20 тысяч соответственно), а химические свойства натрия
позволяют использовать легкий и дешевый алюминий вместо тяжелой и дорогой меди
на анодном токосъемнике. Но не всё так идеально - больший радиус иона натрия по
сравнению с литиевым приводит к уменьшению плотности энергии электродного
материала. С этим связано главное ограничение натрий-ионных аккумуляторов – для
достижения энергоемкости, сравнимой с литий-ионными, их размер должен быть на
30-50% больше. Поэтому натрий-ионные аккумуляторы пока не могут найти
применения в портативной электронике, но уже перспективны в качестве крупногабаритных
батарей, начиная с уровня электромобиля (десятки киловатт-часов энергии) и
заканчивая масштабом электростанций (мега- и гигаватт-часы).
Сотрудники Кафедры электрохимии МГУ под руководством
старшего научного сотрудника, к.х.н.
Олега Дрожжина
впервые синтезировали и охарактеризовали электрохимические свойства
натрий-ванадиевого пирофосфата β-NaVP2O7. "Пока
поиск нового материала для электрохимических приложений по большей части ведется
на базе эмпирических предположений ученых – они отмечают интересные свойства в
соединениях сходного состава и структуры и пытаются получить новые, улучшенные
материалы. Группа Олега Дрожжина обнаружила интересную структуру, ранее
описанную только для крупных щелочных катионов – калия, рубидия, цезия - и попробовала
синтезировать новое соединение с натрием с целью проверить его
электрохимические свойства. Они оказались уникальными", - прокомментировал результат
работы и.о. декана Химического факультета МГУ, член-корреспондент РАН Степан
Калмыков.
Энергоемкость исследованного материала достигает 420
Вт*ч/кг, что всего на 20% меньше, чем у литиевого катодного материала LiCoO2 (530 Вт*ч/кг), и значительно выше
энергоемкости многих ранее изученных потенциальных натриевых катодных
материалов. Другой важной характеристикой электродного материала является
крайне малое – всего полпроцента - изменение объема при заряде-разряде. Схожими
свойствами обладает литий-титановая шпинель, которая оказалась самым
стабильным, мощным и безопасным анодным материалом и потому нашла применение в
аккумуляторах электрокаров и электробусов.
"Изменение объема при циклировании напрямую влияет на такой
важный показатель, как потеря емкости со временем. Чем меньше меняется объем
материала при заряде-разряде, тем дольше он сможет стабильно работать.
Множество соединений так и не нашли применение в аккумуляторах из-за
значительного изменения в объеме", - комментирует Олег Дрожжин.
Электрохимики получили материал, каркас которого может
обратимо отдавать и внедрять до двух катионов натрия на одну элементарную
ячейку, от состава VP2O7
до Na2VP2O7. Суммарная емкость такого
циклирования – около 220 мАч/г, что стало рекордной величиной для подобных
материалов. Кроме того, это означает, что пирофосфат потенциально может стать и
анодным материалом натрий-ионных аккумуляторов. В дальнейшем специалисты
планируют ещё улучшить электрохимические свойства соединения за счет изменения
начальной степени окисления ванадия и частичного замещения его на другие
катионы.
Исследование опубликовано в журнале Chemistry of Materials.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
|