Исследователи нашли способ повысить долговечность натрий-ионных аккумуляторов, изменив форму кристаллов катодного материала, а не его химический состав. Уменьшив толщину одного из ключевых измерений кристалла, учёные смогли снизить внутренние напряжения и образование трещин, которые обычно возникают при многократном внедрении и извлечении ионов натрия. Оптимизированный катод сохранил 96,7% первоначальной ёмкости после 300 циклов при токовой нагрузке 5C, что указывает на перспективный практический подход к созданию более долговечных материалов для натрий-ионных аккумуляторов.

Натрий-ионные аккумуляторы привлекают всё больше внимания как решение для крупномасштабных систем хранения энергии, поскольку натрий широко распространён, доступен и позволяет использовать относительно недорогие аккумуляторные технологии. Слоистые оксиды переходных металлов отличаются высокой ёмкостью и хорошим потенциалом для масштабирования, однако их механическая стабильность остаётся серьёзным препятствием.

При внедрении и извлечении ионов натрия кристаллическая решётка неодинаково расширяется и сжимается, особенно вдоль оси c. Такая неравномерная деформация решётки приводит к концентрации механических напряжений внутри зёрен материала, что может вызывать появление трещин, открывать новые поверхности для контакта с электролитом, ускорять побочные реакции и, как следствие, приводить к потере ёмкости. Поэтому необходимы стратегии на уровне микроструктуры, способные снижать внутренние напряжения ещё до того, как они приведут к повреждению катода.

По словам исследователей из Уханьского университета технологии, результаты работы позволяют рассматривать деградацию аккумулятора ещё до появления видимых повреждений. При хранении натрия в слоистых оксидах происходит повторяющееся «дыхание» материала — расширение и сжатие его структуры. В толстых кристаллических зёрнах возникающая деформация может постепенно накапливаться, пока не приводит к образованию трещин. Уменьшение размера наиболее уязвимого направления позволяет материалу высвобождать напряжение раньше и более равномерно. По мнению учёных, этот принцип может расширить подходы к проектированию катодов за пределы оптимизации химического состава и дать исследователям более чёткую механическую стратегию создания натрий-ионных аккумуляторов, сохраняющих стабильность при длительной эксплуатации.

Полученные результаты имеют практическое значение для следующего поколения систем хранения энергии. Простое уменьшение общего размера частиц действительно может облегчить снятие внутренних напряжений, однако одновременно оно способно увеличить количество побочных реакций на поверхности и снизить насыпную плотность материала.

Источник: The National Law Review

Изображение: Sodium-ion battery