Коллектив учёных, в который вошли специалисты Института неорганической химии им. А.В. Николаева (ИНХ) СО РАН, предложил использовать углеродные нанохорны в качестве одного из электродов (анода) в натрий-ионных аккумуляторах. Электронное состояние углеродных нанохорнов можно модифицировать электроотрицательным бромом. Бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% натрия больше, чем исходные.

Фундаментальное исследование учёных позволит создать энергоёмкие натрий-ионные аккумуляторы, которые заменят более дорогие литий-ионные.

Постоянно растущие потребности человечества в портативных электроустройствах (от смартфонов до газонокосилок) и электротранспорте увеличивают спрос на электрохимические накопители энергии. Среди них наиболее широко используются аккумуляторы, которые отличаются от первичных батарей возможностью многократной перезарядки без значительных потерь ёмкости и времени работы.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), которые были выпущены на рынок в 1991 году, быстро потеснили другие химические источники тока. Рынок сбыта аккумуляторов постоянно растёт, но также увеличивается и цена на литий – ключевой материал, используемый в ЛИА, – из-за его ограниченных запасов. В настоящее время не существует аналогов ЛИА с большим временем жизни (больше 3000–10000 циклов заряда-разряда) и высокой плотностью энергии около 265 Втч/кг.

Альтернативными и более дешевыми аналогами ЛИА могут стать натрий-ионные аккумуляторы (НИА). НИА обладают быстрой скоростью зарядки, сохраняют на 90% больше ёмкости при низких температурах (что актуально для сибирских регионов России), более безопасны и совместимы с устройствами, которые работают на ЛИА, где рассчитано питание на 3.7 В.

Принципы устройства и функционирования натрий-ионных аккумуляторов аналогичны ЛИА – в обоих случаях накопление энергии происходит в результате переноса ионов щелочного металла из материала электрода (анода) в материал катода.

В любой вторичной батарейке есть два электрода, материалы которых должны обратимо внедрять с ионом натрия. В процессе заряда аккумулятора натрий выходит из катодного материала и внедряется в материал анода. При разряде ионы натрия будут покидать анод с генерацией электронов, т.е. ток для питания внешнего устройства. Разработка новых эффективных анодных материалов считается одной из проблем, которую необходимо решить для создания натрий-ионных аккумуляторов.

В ЛИА традиционно в качестве анода использовался графит, однако в НИА его использование невозможно. Большой ионный радиус натрия (1.02 Å) приводит к тому, что натрий не проникает между слоями графита. При этом ёмкость материала не превышает 50–100 мАч/г, из-за чего параметры НИА (время работы и мощность) будут существенно меньше, чем для ЛИА.

В своем исследовании ученые впервые изучили возможность использования в качестве анодного материала натрий-ионных аккумуляторов углеродные нанохорны. Они представляют собой полые углеродные капсулы с коническими крышками. Нанохорны обладают высокой удельной площадью поверхности, доступной для адсорбции натрия, а дефекты, формирующиеся при изгибах графеновой сетки, создают дополнительные адсорбционные места.

Учёные показали, что электронное состояние поверхности нанохорнов можно модифицировать при добавлении электроотрицательного брома, пары которого взаимодействуют с изогнутыми графеновыми стенками при комнатной температуре. Добавка всего 5 ат.% брома к нанохорнам оказала положительный эффект на адсорбцию натрия.

«Мы выяснили, что бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% натрия больше, чем исходные. Предложенный в работе подход может быть применен и для других углеродных наноматериалов с целью их использования в конденсаторах и батарейках, а также для сорбции ионов металлов», – сказала н.с., к.х.н. Светлана Столярова.

По словам Светланы Столяровой, для реального производства таких аккумуляторов в дальнейшем необходимы крупномасштабные научно-практические исследования с исследованием и подбором всех составляющих аккумулятора – электролита, сепаратора, материалов катода и анода, инженерных решений по созданию электрохимической ячейки и в конечном итоге разработки технологии сборки и производства аккумулятора.

Научное исследование выполнено при финансовой поддержке проекта РНФ №19–73–10068 и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации №121031700314–5. Научная статья опубликована в журнале Applied Surface Science (Q1) (ИФ 6,707) https://www.sciencedirect.com/…433221032669.