Натрий-ионные аккумуляторы получили стабильный катод

Циклическая вольтамперограмма натрий-ионного аккумулятора с катодом из эльдфеллита. Напряжение элемента питания достигает трех вольт.

Изображение: Preetam Singh et al. / Energy & Environmental Science, 2015

Группа физиков из университета Техаса разработала новый катодный материал, который позволит значительно увеличить стабильность натрий-ионных аккумуляторов — эльдфеллит. Исследователи работали под руководством Джона Гуденафа — изобретателя литий-ионного аккумулятора. Работа опубликована в журнале Energy & Environmental Science.

Авторы работы предложили использовать в качестве катода смешанный сульфат натрия железа — NaFe(SO4)2. В минералогии это соединение известно как минерал эльдефеллит. Аккумулятор, собранный на основе этого материала оказался устойчивым к перезарядке, после 80 циклов зарядки, каждый из которых длился 10 часов, емкость устройства упала менее чем на десять процентов и составила 78 миллиампер часов на грамм катодной массы. Теоретическая емкость аккумулятора составляет 99 миллиампер часов на грамм.

Структура эльдфеллита такова, что он состоит из отдельных слоев натрия и железа, разделенных сульфатными слоями. Благодаря этому натрий может легко входить и выходить из соединения, не нарушая его целостности. Ранее для катода натриевого аккумулятора предлагались и другие материалы, такие как смешанные теллураты никеля-натрия, фторофосфаты железа-натрия и многие другие, однако эльдфеллит выделяется своей невысокой стоимостью.

Принцип работы натрий-ионного аккумулятора точно такой же как и у традиционного литий-ионного устройства. Ионы металла перемещаются от анода к катоду в процессе разрядки, электроны двигаются при этом в обратном направлении. После полной разрядки аккумулятора катионы натрия входят внутрь катодного материала. При зарядке процесс идет в обратную сторону. 

Существенным преимуществом натрия перед литием является его большая распространенность в природе — он занимает шестое место среди элементов составляющих земную кору (2,4 процента массы). Запасы лития же серьезно ограничены — разведано всего 39 миллионов тонн. Однако из-за большого атомного веса и размеров иона натрий обладает меньшей подвижностью и способностью запасать электрический заряд. На 7 грамм чистого лития приходится такой же максимальный заряд, как и на 23 грамма чистого натрия. Емкость нового катодного материала, предложенного группой Гуденафа, составляет лишь две трети емкости классических катодов литий-ионных аккумуляторов.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.