Более дешевый и более распространенный, чем литий, натрий становится все более привлекательным в качестве основы для следующего поколения высоковольтных аккумуляторов. Разработка коммерчески жизнеспособных натрий-ионных батарей значительно отстает от разработки литиевых батарей, которые получили широкое распространение в 1990-х годах. Но исследователи во всем мире стремятся изменить это в надежде в конечном итоге создать более экономичную альтернативу литию. Достижения в области натрий-ионных аккумуляторов могут в конечном итоге привести к более широкому внедрению возобновляемых источников энергии в электрические сети и снизить стоимость электромобилей.
Одним из основных препятствий на пути создания жизнеспособной натрий — ионной батареи был поиск стабильного анода . В настоящее время твердый углерод является наиболее распространенным анодом для натрий-ионных аккумуляторов, но его недостатком является межфазная нестабильность: разложившиеся электролиты накапливаются на его поверхности, увеличивая межфазный импеданс, что приводит к резкому снижению разрядной емкости.
Группа исследователей в Китае протестировала N-фенил-бис(трифторметансульфонамид) (PTFSI) в качестве предлагаемой пленкообразующей добавки к твердому углероду и обнаружила, что она повышает межфазную стабильность, что приводит к увеличению на 52% способности сохранять емкость натрия. ионная батарея после 100 циклов. Свои выводы они опубликовали в Nano Research.
«Натрий-ионные батареи вновь привлекли к себе внимание в последние годы», — сказал Лидан Син, профессор Школы химии Южно-китайского педагогического университета и соавтор исследования. «Твердый углерод является наиболее широко используемым анодным материалом для натриевых батарей, но его стабильность в течение длительного цикла недостаточно хороша для удовлетворения требований коммерческого и промышленного применения. Было проведено мало исследований по совместимости электролита с твердыми углеродными анодными материалами».
Исследование показало, что добавление PTFSI к аноду из твердого углерода улучшает сохранение емкости испытанного ими полуэлемента из твердого углерода/Na с 0 до 68 процентов после 500 циклов. «Это значительное улучшение», — сказал Син.
Предыдущие попытки создания натрий-ионной батареи с более высокими характеристиками включали добавление многофункционального твердого углерода, легированного азотом, с увеличенным промежуточным слоем, а в другом случае — разработку карбонизированного реконструированного лигнина в качестве нового твердого углеродного анода. Были проведены эксперименты с другими электролитами на карбонатной основе для натрий-ионных аккумуляторов с использованием фторэтиленкарбоната, янтарного ангидрида, ионов рубидия и цезия. Ни один из этих подходов не приблизился к улучшению, которого Син и ее коллеги достигли, добавив пленкообразующую электролитную добавку PTFSI к твердому углеродному аноду.
«В качестве пленкообразующей добавки для анода восстанавливающая активность PTFSI так же важна, как и свойства продуктов его разложения», — сказал Син. «Например, в этой работе структура PTSFI аналогична структуре аниона FSTI, и структура и свойства их продуктов восстановления также очень похожи. Однако PTFSI — это молекула с более высокой восстановительной активностью, чем анион FSTI. … Первое может улучшить межфазную стабильность твердого углерода, а второе — нет. Таким образом, эта работа предлагает идеи для разработки добавок, образующих твердый углерод».
Исследовательская группа использовала батарейки типа «таблетка» для оценки PTFSI как части предлагаемой ими новой электролитной системы с ионами натрия. Они изготовили твердые углеродные аноды, используя тонкую медную фольгу, нарезанную до 12 мм в диаметре, покрытую и высушенную, а затем уложенную в полуэлементы с сепараторами из стекловолокна и электролитом на углеродистой основе. Аккумуляторы, построенные как с предлагаемой пленкообразующей добавкой PTFSI, так и без нее, заряжались и разряжались до 500 раз. Авторы пришли к выводу, что значительный прирост производительности достигается при добавлении 1% PTFSI.
«Из этой работы мы заметили, что PTFSI может значительно улучшить характеристики твердого углерода при длительном цикле . Поэтому следующим шагом является оценка его производительности в ячейках большой емкости. Если результаты аналогичны результатам монетных ячеек, мы считаем, что эта добавка могут быть использованы в коммерческих целях в натрий-ионных батареях».
