Литий-ионные и натрий-ионные аккумуляторы работают по принципу интеркаляции, при котором ионы накапливаются и обмениваются между двумя химически разными электродами. В отличие от этого, коинтеркаляция, процесс, при котором ионы и молекулы растворителя накапливаются одновременно, традиционно считалась нежелательной из-за своей тенденции быстро выводить аккумулятор из строя.

Вопреки этому традиционному взгляду, международная исследовательская группа под руководством Филиппа Адельхельма продемонстрировала, что коинтеркаляция может быть обратимым и быстрым процессом для катодных материалов Na-ионных аккумуляторов. Подход, основанный на совместном хранении ионов и растворителей в катодных материалах, открывает новые возможности для разработки аккумуляторов с высокой эффективностью и возможностью быстрой зарядки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials .

Производительность аккумуляторов зависит от многих факторов. В частности, от того, как ионы хранятся в электродных материалах и могут ли они снова высвобождаться. Это связано с тем, что носители заряда (ионы) относительно велики и могут вызывать нежелательное изменение объёма при миграции в электрод. Этот эффект, известный как «дыхание», сокращает срок службы аккумулятора.

Изменение объёма особенно заметно при миграции ионов натрия вместе с молекулами из органического электролита. Эта так называемая коинтеркаляция обычно считается вредной для срока службы аккумулятора. Однако международная исследовательская группа под руководством Адельхельма исследовала катодные материалы, обеспечивающие коинтеркаляцию ионов и молекул растворителя, что позволяет ускорить процессы зарядки и разрядки.

Коинтеркаляция в анодах

В предыдущих исследованиях группа исследовала коинтеркаляцию в графитовых анодах , продемонстрировав, что натрий может быстро и обратимо мигрировать в электролит и из него в течение многих циклов в сочетании с молекулами глима. Тем не менее, доказать эту же концепцию для катодных материалов оставалось непросто. Чтобы решить эту задачу, группа исследовала ряд слоистых сульфидов переходных металлов и выявила процессы коинтеркаляции растворителей в катодных материалах.

«Процесс коинтеркаляции может быть использован для разработки очень эффективных и быстро заряжающихся аккумуляторов. Именно поэтому мы решили изучить эту тему более подробно», — говорит профессор Адельхельм.

Коинтеркаляция в катодах: другой процесс

Исследование включает в себя подробные исследования последних трёх лет: д-р Янан Сан провел измерения изменения объёма катодных материалов, структурный анализ с использованием синхротронного излучения на установке PETRA III в DESY и исследовал электрохимические свойства различных комбинаций электродов и растворителей. Опираясь на теоретические данные, в сотрудничестве с д-ром Густавом Оваллом удалось определить важные параметры, которые помогут прогнозировать реакции коинтеркаляции в будущем.

Преимущество: сверхбыстрая кинетика

«Процесс коинтеркаляции в катодных материалах существенно отличается от того, что происходит в графитовых анодах», — объясняет Сан. Хотя реакции коинтеркаляции в графитовых анодах обычно приводят к получению электродов с низкой ёмкостью, потеря ёмкости, вызванная коинтеркаляцией в исследованных катодных материалах, очень незначительна.

«Прежде всего, некоторые катодные материалы обладают огромным преимуществом: кинетика у них сверхбыстрая, почти как у суперконденсатора», — подчеркивает Сан.

Обширные возможности химического производства для новых материалов

«Истинная красота реакций коинтеркаляции заключается в их способности открывать обширные химические возможности для разработки новых слоистых материалов для самых разных применений», — говорит Адельхельм.

«Изучение концепции коинтеркаляции было чрезвычайно рискованным, поскольку оно противоречит классическим знаниям о батареях. Результаты являются результатом совместных усилий многих талантливых людей и были бы невозможны без возможностей, предоставленных совместной исследовательской группой по анализу батарей Operando, финансируемой Центром Гельмгольца в Берлине и Университетом Гумбольдта», — добавляет он.

Недавно анонсированная Берлинская лаборатория аккумуляторных батарей, созданная HZB, HU и BAM, предоставит еще больше возможностей для совместных исследовательских проектов в Берлине.