В Новосибирске синтезировали материал для «начинки» натрий-ионных аккумуляторов
27.09.2023 | Наука в Сибири
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Николенко показывает, как выглядит внутри станция «Космос». Источник: Т. Морозова
Специалисты Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН синтезируют функциональные материалы для создания аккумуляторов нового поколения и совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН изучают их свойства с помощью синхротронного излучения в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ). Сейчас научная группа исследует характеристики гибридного материала из дисульфида молибдена и графена, который перспективен в качестве анодной части натрий-ионных аккумуляторов. Работы показали, что синтезированный материал обладает хорошей стабильностью и достаточной энергоемкостью, то есть основные параметры качества батареек остаются на высоком уровне. Работа поддержана грантом РНФ.
«Натрий довольно дешев по сравнению с литием и более распространен, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Анастасия Дмитриевна Федоренко. — Поэтому во всем мире сегодня внимание переключено на создание материалов, которые бы хорошо работали в натрий-ионных аккумуляторах — отвечали за повышение стабильности их работы и хорошую энергетическую емкость. В нашей лаборатории мы разрабатываем наноструктурированные функциональные материалы с интересующими нас свойствами, в том числе для электрохимических применений. Данная работа поддержана грантом РНФ по мероприятию “Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня”».
Задача исследователей состоит в том, чтобы путем точечных замен или удаления атомов химических элементов в синтезируемом материале задавать ему такие характеристики, которые позволят ионам натрия эффективно с ним взаимодействовать.
«Мы можем убрать атом серы или молибдена из материала, и у нас появятся пустые места, так называемые “вакансии”, — объясняет Анастасия Федоренко. — В них мы помещаем атомы других химических элементов, например, азота, никеля, селена или кобальта. Любые наши действия будут изменять реакционную активность и электропроводность материала, влияя на его функциональные характеристики. Путем таких модификаций и благодаря последующей проверке того, как в реальном времени ионы натрия взаимодействуют с нашим веществом, мы можем скорректировать условия синтеза материала и получить необходимые характеристики для будущего аккумулятора: емкость, стабильность, длительность работы, в том числе при высоких плотностях тока».
По словам Анастасии Федоренко, уже на данном этапе исследований ученым удалось показать, что синтезируемый материал обладает хорошей стабильностью в течение более 1200 циклов заряда и разряда аккумулятора и достаточной энергоемкостью (440 мАч/г при плотности тока 0.1 A/г). Теоретическая емкость аморфных углеродных материалов, обычно используемых в качестве анода натрий-ионных аккумуляторов, не превышает 300 мАч/г и такие материалы теряют порядка 20 % своей емкости после 1000 циклов работы аккумулятора.
Характеризуют материал при помощи рентгеновской спектроскопии на экспериментальной станции «Космос» ЦКП СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН. Пользовательская станция расположена на единственном в России высоковакуумном канале мягкого рентгеновского диапазона. «Космос» использует синхротронное излучение из коллайдера ВЭПП-4 ИЯФ СО РАН, который генерирует мощный поток фотонов в широком спектральном диапазоне — от видимого излучения до жесткого рентгеновского.
Станция «Космос» и рентгеновский эмиссионный спектрометр, разработанный в ИНХ СО РАН. Источник: Т. Морозова.
Совсем недавно на станцию «Космос» был интегрирован рентгеновский эмиссионный спектрометр, разработанный в ИНХ СО РАН. Этот уникальный по своим характеристикам прибор расширит возможности и повысит качество исследований ученых.
«Использование СИ в качестве источника рентгеновского излучения позволит применить современные методы диагностики наноматериалов и перейти к проведению in situ экспериментов. Суть которых заключается в исследовании процессов циклирования натрий-ионных аккумуляторов с высокой чувствительность, позволяющей зафиксировать даже небольшие изменения структуры вещества», — добавляет Анастасия Федоренко.
