Российско-немецкое исследование на пути к созданию натриевой батареи

«С другой стороны, он может быть легирован такими веществами, как литий или натрий». «И это заставляет задуматься над настройкой электронных свойств таким образом, чтобы, например, сделать его сверхпроводником»

Аккумуляторы для смартфонов, ноутбуков и электромобилей в основном представляют из себя литий-ионные технологии. Тем не менее во всем мире продолжаются поиски альтернативных способов создания более дешевых батарей.

Одним из вариантов является замена лития на натрий, вездесущего и очень недорогого элемента. Однако пока еще сохраняются различные препятствия, чтобы этого достичь. Помимо прочего, сложностью является то, что графитовый анод аккумулятора не способен поглотить достаточное количество натрия.

Теоретическое исследование (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104927) российско-немецкой рабочей группы, возглавляемой Центром Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), дает надежду на развитие этой технологии, основанной на том, что в паре слоев графена - тонкодисперсного углерода - может поместиться значительно больше атомов натрия.

В конце 2018 года исследовательская группа из Института твердотельных исследований им. Макса Планка в Штутгарте, Ульмского университета и HZDR провела замечательный эксперимент: когда между двумя тонкими слоями графена эксперты внедрили литий, то между ними образовался не один слой атомов, а несколько слоев. Неожиданный результат. Поскольку в графите - близком родственнике графена - между тонкими углеродными слоями можно наблюдать включения лишь отдельных тонких слоев лития.

Тогда в статье, опубликованной в журнале Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-018-0754-2), было дано теоретическое описание этого состояния, используя сложные компьютерные симуляции. Если бы в литиевых батареях вместо графитовых анодов можно было бы установить графеновые электроды, то, возможно, появилась бы возможность достичь значительно более высокой емкости хранения энергии.

Многослойный плотноупакованный порядок вместо одинарного

Теперь, вдохновленные предыдущим результатом, российско-немецкие исследователи во главе с доктором физики HZDR Аркадием Крашенинниковым задали новый вопрос: «Если это происходит с литием, может ли такое состояние наблюдаться и с другими щелочными металлами, особенно с натрием?»

Натрий уже давно рассматривается в качестве активного участника развития аккумуляторных технологий, поскольку он гораздо больше, чем литий, распространен на земле и может использоваться для производства значительно более дешевых аккумуляторов. Проблема заключается в том, что разработанные прототипы не обладали высокой эффективностью, потому что натрий хуже накапливается в графитовых анодах.

Чтобы выяснить, могут ли парные слои графена вмещать значительно большее количество натрия, было проведено моделирование процесса. «Благодаря огромному росту вычислительных мощностей и разработке эффективных алгоритмов появились очень мощные методы для изучения новых материалов». «Они позволяют моделировать с высокой точностью их структуры и свойства, оставляя лишь небольшие допущения в расчетах».

Появление надежды на создание натриевой батареи

Результат этих компьютерных экспериментов позволил выяснить, что, как и литий, натрий может находиться между листами графена в несколько слоев, один над другим. Это хорошая новость для исследователей: результат может указать путь, по которому пойдет будущая разработка анодов для недорогих натриевых аккумуляторов.

«Проделанное исследование носит чисто теоретический характер, и мы не утверждаем, что на основе полученных результатов в обозримом будущем появится новое поколение батарей», - подчеркивает Крашенинников. «Однако, возможно, эти результаты повлияют на возникновение у инженеров новых интересных идей».

То же самое можно отнести и к другому двумерному материалу - дисульфиду молибдена MoS₂. С одной стороны, как и графен, он может выступать в качестве электродного материала для батарей. «С другой стороны, он может быть легирован такими веществами, как литий или натрий», - объясняет Крашенинников. «И это заставляет задуматься над настройкой электронных свойств таким образом, чтобы, например, сделать его сверхпроводником».

Источник: HZDR