Исследователи из Корнелла обнаружили источник постоянной проблемы, ограничивающей срок службы натрий-ионных аккумуляторов, и предоставили производителям новые стратегии для питания в 21 веке.

Натрий-ионные аккумуляторы являются многообещающей технологией для электромобилей, энергосистем и других приложений, поскольку они изготавливаются из распространенных материалов, обладающих высокой плотностью энергии, негорючих и хорошо работающих при более низких температурах. Но инженерам еще предстоит усовершенствовать химию. В то время как литий-ионные батареи , используемые в современной электронике, могут перезаряжаться тысячи раз, большинство разновидностей натрий-ионных батарей могут перезаряжаться лишь небольшую часть этого времени.

Плохая долговечность связана с специфической перестановкой атомов в работе батареи — фазовым переходом P2-O2 — когда ионы проходят через кристаллические структуры батареи и в конечном итоге разрушают их. Хотя фазовый переход интересовал исследователей, механизмы, лежащие в его основе, было трудно изучить, особенно во время работы от батареи.

Ключевые аспекты этого механизма были раскрыты командой Корнелла из лаборатории Андрея Сингера, доцента кафедры материаловедения и инженерии, и опубликованы 1 февраля в журнале Advanced Energy Materials . Докторант Джейсон Хуан является ведущим автором.

Команда обнаружила, что по мере того, как ионы натрия проходят через батарею, разориентация кристаллических слоев внутри отдельных частиц увеличивается до того, как слои внезапно выровняются непосредственно перед фазовым переходом P 2 -O 2 .

«Мы обнаружили новый критический механизм», — сказал Сингер. «Во время зарядки батареи атомы внезапно перестраиваются и способствуют этому ошибочному фазовому превращению».

Команда смогла наблюдать это явление после разработки нового метода рентгеновской визуализации с использованием высокоэнергетического синхротронного источника Корнелла, который позволил им наблюдать в реальном времени и в массовом масштабе поведение отдельных частиц в образце батареи.

«Неожиданное выравнивание атомов невидимо при обычных измерениях порошковой рентгеновской дифракции, поскольку для этого необходимо заглянуть внутрь отдельных катодных наночастиц», — сказал Сингер. «Наши беспрецедентно высокопроизводительные данные позволили нам раскрыть тонкий, но важный механизм».

Это открытие побудило команду предложить новые варианты конструкции используемого типа натрий-ионной батареи, которые они планируют исследовать в будущих исследовательских проектах. По словам Хуанга, одним из решений является изменение химического состава батареи, чтобы внести стратегический беспорядок в частицы непосредственно перед ошибочной фазой перехода.

«Изменяя соотношение наших переходных металлов, в данном случае никеля и марганца, — сказал Хуанг, — мы можем внести немного беспорядка и потенциально уменьшить наблюдаемый нами эффект упорядочения».

Хуанг сказал, что новый метод характеризации может быть использован для выявления сложного фазового поведения в других системах наночастиц, но его лучшее применение может остаться в технологиях накопления энергии следующего поколения.

«Мы расширяем границы натрий-ионных аккумуляторов и того, что мы знаем о них, — сказал Хуанг, — и использование этих знаний для разработки более совершенных аккумуляторов поможет открыть технологию для практического применения в будущем».