В Самарском политехе ищут перспективные соединения для создания натрий-ионных аккумуляторов

От катода к аноду и наоборот
В течение двух лет Морхова будет ежегодно получать два миллиона рублей за исследования, напрямую связанные с созданием натрий-ионных аккумуляторов как возможной альтернативы литий-ионным аккумуляторам.
Представим себе привычный смартфон. Его энергетическое сердце, которое находится под задней крышкой, – аккумулятор – устроено довольно просто: два электрода – анод из пористого углерода на фольге из меди и катод из оксида лития на фольге из алюминия, между ними полимерный сепаратор из полипропилена, который обильно пропитан электролитом.
– Энергия химической реакции, получаемая от перехода ионов лития с одного электрода на другой через электролит, преобразуется в электрическую энергию, – поясняет учёный. – При заряде ионы переходят от катода к аноду, при разряде – в обратном направлении. Электролит должен быть исключительно ионным проводником, тогда как электродные материалы должны обладать ещё и электронной проводимостью.

Натрий вместо лития
Сейчас в мире лидируют литиево-ионные аккумуляторы (ЛИА). Они эффективны, у них долгий срок службы, высокая удельная мощность. Но стремительное увеличение количества электронных устройств (смартфоны и ноутбуки, электромобили, строительные инструменты, игрушки, часы и т.д.) приводит к постепенному истощению запасов лития на планете, а это, в свою очередь, заставляет задуматься о других типах металл-ионных аккумуляторов.
Наука нашла достойную альтернативу литию. Речь идёт о его ближайшем «соседе» по таблице Менделеева – натрии. Он широко распространён в природе (его можно добывать даже из морской воды), в десятки раз дешевле лития, имеет кристаллическую (твёрдую) структуру. Результаты поисков показывают, что натриевые аккумуляторы могут наилучшим образом заменить литиевые. Наибольшего прогресса в их изучении и применении достигли китайские учёные. Но их аккумуляторы пока недостаточно мощны и довольно громоздки. Габаритные аккумуляторы, конечно, могут быть использованы, например, для накапливания энергии солнца или ветра. Но в быту всё-таки предпочтительнее маленькое устройство: кому нужны огромные батарейки?
Кроме того, сейчас ведутся эксперименты по использованию в источниках питания твёрдотельного кристаллического электролита. Жидкие электролиты в ЛИА взрывоопасны и токсичны, целиком твёрдые аккумуляторы удобны в перевозке и хранении.

Выбираем лучше
– Самая серьёзная проблема кроется в размерном факторе: ион натрия на 30 процентов больше иона лития, что ограничивает его встраивание в структуру электродов, – рассказывает Елизавета Морхова. – Кроме того, миграцию ионов этого щелочного металла «тормозит» образующийся в ходе многократных циклов их работы оседающий на поверхности анода пассивирующий слой. Между тем чем мобильнее ионы, тем эффективнее работает аккумулятор. Отсюда следует, что нам нужно искать такие соединения, где ионы натрия ведут себя наиболее активно. Миграция ионов будет происходить за счёт наличия полостей в натрий-содержащей среде кристаллической структуры. Ионы будут двигаться во ним, как по каналам.
Химик проанализировала около 1500 соединений, в которых в достаточных количествах имеется натрий. Отобрано около 60 наиболее перспективных структур, к примеру Na₆ZnSe₄. Сейчас перед исследователями стоит задача оценить подвижность натрия в них и выбрать наилучшие проводники.
– Результатом теоретической части исследования должен стать сформированный список примерно из 30 соединений, которые могут быть основой для полностью твёрдотельного аккумулятора. Отобранные соединения мы синтезируем для дальнейшей электрохимической проверки.