Практически вся портативная электроника и бытовая техника сегодня работает на литий-ионных аккумуляторах. Но литий считается дорогим и редким металлом.
Москва, 29 сен - ИА Neftegaz.RU.Исследования новых функциональных материалов для аккумуляторов нового поколения проводят ученые Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Об этом сообщил пресс-центр Сибирского отделения РАН.
LIB и NIB
Практически вся портативная электроника и бытовая техника сегодня работает на литий-ионных аккумуляторах (LIB). Такие электрохимические элементы:
- быстро заряжаются;
- обладают высокой энергоемкостью;
- долго служат.
Однако литий считается дорогим и редким металлом, а его производство не экологично. Есть альтернативный путь - создание натрий-ионных аккумуляторов (NIB).
В качестве носителей заряда в NIB используют ионы натрия (Na+).
Его принцип работы и конструкция элемента аналогичны LIB, но в качестве материала катода вместо лития используется натрий, который относится к той же группе в периодической таблице Менделеева, что и литий, и, следовательно, обладает аналогичными химическими свойствами.
Основное преимущество натрий-ионных аккумуляторов - использование натрия, который легко извлекается из соленой воды.
Но есть и проблемки в сравнении с LIB:
- более низкая плотность энергии;
- недостаточные циклы заряда-разряда.
В качестве анода используются углерод, графит, олово, дисульфида молибдена, графен, арсенид углерода.
Научная новизна
Ученые ИНХ СО РАН пошли дальше и создали новый гибридный материал из дисульфида молибдена и графена, который они предлагают в качестве анодной части натрий-ионных аккумуляторов. Ученые из ИНХ СО РАН и ИЯФ СО РАН с помощью синхротронного излучения на экспериментальной станции Космос в Центре коллективного пользования Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП СЦСТИ) проводят исследование характеристик этого материала.
Исследования показали:- хорошую стабильность;
- достаточную энергоемкость нового материала.
Можно предполагать, что основные параметры качества батареек при использовании данного материала останутся на высоком уровне.
Тезисы снс лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кфмн Анастасии Федоренко: - натрий:
- дешевый металл, по сравнению с литием;
- он более распространен;
- сегодня внимание переключено на создание материалов, которые бы хорошо работали в натрий-ионных аккумуляторах - отвечали за повышение стабильности их работы и хорошую энергетическую емкость;
- мы разрабатываем наноструктурированные функциональные материалы с интересующими нас свойствами, в том числе для электрохимических применений.
- задача исследователей: путем точечных замен или удаления атомов химических элементов в синтезируемом материале, задавать ему такие характеристики, которые позволят ионам натрия эффективно с ним взаимодействовать:
- можно убрать атом серы или молибдена из материала, и появятся пустые места, так называемые вакансии,
- помещаем атомы др. химических элементов, например: азот, никель, селен; кобальт,
- любые действия будут изменять реакционную активность и электропроводность материала, влияя на его функциональные характеристики.
В ходе исследования специалисты убедились:
- синтезируемый материал обеспечивает хорошую стабильность в течение более 1200 циклов заряда;
- разряда аккумулятора и достаточную энергоемкость - 440 мАч/г при плотности тока 0,1 A/г.
Данные показатели превосходят теоретическую емкость аморфных углеродных материалов, используемых в качестве анода натрий-ионных аккумуляторов, которая не превышает 300 мАч/г.
При этом такие материалы после 1000 циклов работы аккумулятора теряют до 20% своей емкости.
Характеристики материала были определены с помощью рентгеновской спектроскопии на экспериментальной станции «Космос» ЦКП СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН.
Характеризуют материал при помощи рентгеновской спектроскопии на экспериментальной станции «Космос» ЦКП СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН: - пользовательская станция расположена на единственном в РФ высоковакуумном канале мягкого рентгеновского диапазона;
- использует синхротронное излучение из коллайдера ВЭПП-4 ИЯФ СО РАН, который генерирует мощный поток фотонов в широком спектральном диапазоне – от видимого излучения до жесткого рентгеновского ( белый пучок);
- излучение из накопителя проходит по высоковакуумному транспортному каналу и попадает в монохроматор, который выделяет из «белого» пучка СИ фотоны с определенной энергией;
- получившийся монохроматический пучок проходит сквозь исследуемый образец и регистрируется детектором.
Использование СИ в качестве источника рентгеновского излучения позволяет:- применить современные методы диагностики наноматериалов;
- перейти к проведению in situ экспериментов.
Суть которых заключается в исследовании процессов циклирования натрий-ионных аккумуляторов с высокой чувствительностью, позволяющей зафиксировать даже небольшие изменения структуры вещества.
Кто-то любит иметь кошечек и собачек в качестве картинок на офисных кружках, но - не все.
Снс лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кфмн Антон Николенко печатает на кружках графики от измерений образцов коллег из ИНХ СО РАН.
Источник фото А. Николенко
Тезисы креативного снс лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кфмн Антона Николенко:- при взаимодействии с веществом рентгеновское излучение частично поглощается;
- поглощение происходит в основном за счет фотоэффекта, то есть выбивания из атома электрона;
- особенность рентгеновского излучения в том, что фотоэффект происходит на внутренних электронах, то есть на тех, которые имеют сильную связь с ядром, и для их выбивания требуется сравнительно высокая энергия фотонов;
- энергетические уровни, на которых находятся электроны, называют буквами латинского алфавита: самый нижний (с максимальной энергией) это K-уровень, потом идут уровни L, M, N и тд:
- чем тяжелее атом химического элемента, тем больше энергия его K, и всех последующих уровней,
- этот набор индивидуален для каждого химического элемента и может служить доказательством присутствия этого элемента в образце, как отпечатки пальцев;
- при плавном изменении энергии падающих на вещество фотонов, прохождение очередного энергетического уровня можно определить по скачкообразному росту поглощения:
- скачки называются краями поглощения соответствующих элементов,
- если исследовать форму этих скачков, можно судить не только о наличии данного элемента, но и о том, в каких химических связях он участвует;
- именно в мягкой рентгеновской области лежат K-края поглощения легких химических элементов, которые используются для создания новых функциональных и конструкционных материалов, таких, как алюминий, кремний, хлор, фосфор, сера;
- есть возможность изучать L-края ряда элементов, находящихся в таблице Менделеева рядом с молибденом;
- важное, с практической точки зрения, соединение - сульфид молибдена:
- может быть использовано для создания более эффективных катализаторов, сенсоров,
- в нашем случае, его можно использовать в качестве наполнителя для аккумуляторов нового типа, и др.;
- станция Космос дает возможность:
- одновременно исследовать в этом веществе и K-край поглощения серы, и L-край поглощения молибдена. С помощью СИ мы исследуем их атомную структуру этого вещества и получаем информацию, как именно взаимодействуют между собой атомы в исследуемом образце;
- одновременно проводить и флуоресцентный анализ в мягком рентгене, что дает еще более подробную картину внутренней структуры образца».
Недавно на станцию Космос интегрировали уникальный по характеристикам рентгеновский эмиссионный спектрометр, разработанный в ИНХ СО РАН.
Ждем новых кружек и новых разработок сибирских ученых.