Сегодня - 07.04.2020

Сибирские ученые исследуют материалы для натрий-ионных аккумуляторов

12 декабря 2019

Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН изучили твердофазный синтез перспективных ванадийсодержащих катодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов. Результаты работы опубликованы в Solid State Ionics

Аккумуляторы, которые используются практически во всех современных портативных устройствах, — литий-ионные. Однако литий дорожает, его запасы исчерпываются, и ученые ищут то, что могло бы его заменить. Так, большие надежды возлагаются на близкую по принципу работы натрий-ионную технологию. Натрий гораздо более широко распространен в природе: он есть как в водах Мирового океана, так и в земной коре, а его добыча практически не зависит ни от конкретных географических точек, ни от политических событий. На сегодняшний день натрий-ионные аккумуляторы оцениваются как на 13 % более дешевые, чем литий-ионные, и со временем эта разница будет только расти.
 
На сегодняшний день наиболее перспективными материалами для создания химических источников тока нового поколения считаются фторид-фосфаты ванадия-натрия. Они обладают высоким рабочим напряжением, структурной устойчивостью при циклировании и возможностью реализации многоэлектронного процесса окисления ионов ванадия, что повышает удельную емкость. «Первые публикации, посвященные соединению Na3V2(PO4)2F3 появились в 2006 году, однако его активное изучение началось сравнительно недавно — с 2014 года. Вскоре выяснилось, что существует целое семейство таких материалов, различающихся составом, структурой, валентным состоянием ванадия и электрохимическими свойствами, что создало большую неразбериху в литературе», — рассказывает младший научный сотрудник группы материалов для литий-ионных аккумуляторов ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Дарья Олеговна Семыкина.
 
Единичный элемент натрий-ионного аккумулятораВ Европе уже появились единичные прототипы аккумуляторов на основе фторид-фосфатов ванадия-натрия. А запустить масштабное производство таких батареек мешают трудности, связанные с условиями синтеза этих материалов. В основном их получают гидротермальным методом, когда реакция протекает в воде при высоком давлении и относительно невысокой температуре. Однако при этом остаются жидкие отходы, которые необходимо утилизировать. Но главная проблема заключается в том, что сложно контролировать степень окисления ванадия в конечном продукте, а следовательно его электрохимические свойства: рабочее напряжение, удельную энергию, емкость и другие. 
 
Ученые из группы материалов для литий-ионных аккумуляторов ИХТТМ СО РАН используют для получения фторид-фосфатов ванадия-натрия твердофазный метод карботермического восстановления ванадия с предварительной механической активацией смеси исходных реагентов. Преимущества этого метода — простота реализации, отсутствие жидких отходов, контролируемая степень окисления ванадия в конечном продукте. Более того, кратковременная механическая активация позволяет сократить продолжительность высокотемпературной стадии и сделать синтез менее затратным. 
 
Сейчас в науке идет активное изучение различных членов семейства фторид-фосфата ванадия-натрия. Например, обсуждается, возможно ли получение соединения состава NaVPO4F в ходе классического твердофазного синтеза. Ученые ИХТТМ СО РАН доказали, что нет: «Было опубликовано несколько работ, посвященных твердофазному синтезу этого соединения. Однако внимательное их изучение указывает на неверную интерпретацию структурных данных: на самом деле авторами были получены другие соединения, такие как Na3V2(PO4)2F3 и Na3V2(PO4)3. Лишь в 2017 году французским ученым действительно удалось получить соединение состава NaVPO4F с использованием гидротермального метода синтеза», — отмечает Дарья Семыкина. 
 
Исследователям группы материалов для литий-ионных аккумуляторов ИХТТМ СО РАН под руководством кандидата химических наук Нины Васильевны Косовой удалось подобрать условия твердофазного синтеза NaVPO4F. Для этого был использован особый метод закалки: активированную смесь реагентов нагрели и быстро охладили — это позволило зафиксировать соединение, которое образуется при высокой температуре, пока оно не успело разложиться.
 
«Этот метод позволил впервые в ходе твердофазного взаимодействия получить NaVPO4F и сделать вывод, что оно является метастабильным (то есть возможно только при определенных условиях. — Прим. ред.). Кроме того, было показано, что NaVPO4F не обладает заметной электрохимической активностью и не может быть использован в качестве катодного материала для натрий-ионных аккумуляторов».
 
Диана Хомякова
 
Фото предоставлено Дарьей Семыкиной
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus