Российские ученые подобрали перспективный материал для натрий-ионных аккумуляторов

Сотрудники Кольского научного центра РАН совместно с учеными из других вузов и научных институтов с помощью компьютерного моделирования нашли перспективный вариант твердого электролита для натрий-ионных батарей — оксофторид ниобия-натрия. Его главное преимущество — возможность синтеза на воздухе, что резко удешевляет производство.

В большинстве электронных устройств сегодня используются литий-ионные аккумуляторы. Они компактные и емкие, но у них есть и серьезные недостатки, которые становятся все более очевидными по мере роста масштабов их применения. В первую очередь, это высокая стоимость компонентов из-за истощения литиевых ресурсов, а также вопросы безопасности.

В качестве альтернативы рассматриваются натрий-ионные аккумуляторы. Натрий — ближайший химический «родственник» лития, но в сотни раз распространеннее. Это делает такие аккумуляторы наиболее дешевыми и пригодными в тех сферах, где нет строгих ограничений по объему и весу. Но чтобы сделать их по-настоящему безопасными, нужно избавиться от горючего электролита.

Одно из решений —полностью твердотельные аккумуляторы, где жидкий электролит заменен на твердый керамический или полимерный материал. Твердый электролит не горит и выдерживает перегрев. Благодаря его использованию не появляются дендриты — различные по форме слои (чаще всего игольчатые или древообразные) между электродным материалом и электролитом, вызывающие короткие замыкания.

Поиск перспективного кандидата стал результатом масштабной коллаборации российских научных центров. Теоретическое моделирование проводилось с использованием мощностей суперкомпьютера «Цеолит» в Международном научно-исследовательском центре теоретического материаловедения (МНИЦТМ) в СамГТУ и вычислительных ресурсов МГУ им. М.В. Ломоносова. Экспериментальный синтез и физико-химический анализ взяли на себя специалисты МГУ, Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, а также Кольского научного центра РАН и Самарского государственного медицинского университета.

Авторы провели высокопроизводительный компьютерный скрининг базы данных неорганических кристаллических структур (ICSD). Объектом поиска стали натрийсодержащие полианионные оксогалогениды. Отбор проходил в несколько стадий: геометрико-топологический анализ кристаллической решетки для оценки свободных пространства на возможность диффузии рабочих ионов, расчет барьеров миграции с помощью метода валентных усилий связи, кинетическое моделирование для предварительной оценки ионной проводимости и квантово-химические расчеты для точной оценки энергетических барьеров миграции, энергий образования вакансий и ширины запрещенной зоны.

Из тысяч вариантов были отобраны шесть перспективных кандидатов, лидером среди которых стал оксофторид ниобия-натрия (Na2NbOF5). Расчеты показали, что вещество обладает сверхбыстрой ионной проводимостью (теоретическая объемная ионная проводимость при комнатной температуре оценивалась в 6,6×10−3 См/см). При этом ширина запрещенной зоны была более 4 эВ, что свидетельствует об отсутствии электронной проводимости в материале.

При этом, в отличие от других перспективных твердых электролитов, например сульфидов или галогенидов, которые разрушаются от малейшей влаги и требуют синтеза в дорогих герметичных боксах с аргоном, оксофторид ниобия-натрия можно синтезировать в атмосфере обычного воздуха. Это существенно удешевляет потенциальное заводское производство.

 

Авторы предлагают два пути оксофторида ниобия-натрия индустрию. Первый — использовать Na₂NbOF₅ как наполнитель в полимерных электролитах. Полимеры не требуют обжига, а твердые частицы создают каналы для ионов. Второй — доработать синтез, удалить примесь и применить искровое плазменное спекание. Оно уплотняет керамику за секунды, не давая материалу разрушиться.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации