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.
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».
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
Написать комментарий
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности