Легирование политипа P′2 катодного материала скандием позволило сохранить его структурную целостность.
В этом исследовании предлагается новая стратегия повышения структурной стабильности слоистых оксидов металлов в аккумуляторах. (Изображение)
kynny/Gettyimages
Исследование, проведенное учеными Токийского научного университета, показало, что легирование катода натрий-ионного аккумулятора скандием может улучшить его циклическую стабильность.
«Поскольку скандий — дорогой металл, наше исследование демонстрирует возможность его применения в разработке аккумуляторов», — сказал профессор Шиничи Комаба, возглавлявший исследовательскую группу.
«Наши результаты потенциально могут привести к разработке высокопроизводительных и долговечных натрий-ионных аккумуляторов».
В ходе испытаний цельный элемент монетообразного типа с модифицированным катодом сохранил 60% своей емкости после 300 циклов зарядки-разрядки.
Решение проблемы быстрого снижения пропускной способности
Исследование посвящено распространенной проблеме быстрого снижения емкости катодов из оксида натрия и марганца — перспективного материала для альтернативы литий-ионным аккумуляторам.
Натрий-ионные аккумуляторы изучаются как потенциальная альтернатива литий-ионным аккумуляторам из-за большого содержания натрия в природе.
«Слоистые оксиды натрия и марганца являются одними из перспективных кандидатов в качестве катодных материалов для высокоемких Na-ионных аккумуляторов, не содержащих редких элементов», — говорят исследователи в своем исследовании.
Однако катодные материалы, особенно слоистые оксиды натрия и марганца (Na2/3MnO2), часто подвергаются деградации.
В значительной степени это объясняется искажением Яна-Теллера — явлением, при котором ионы марганца искажают кристаллическую структуру материала во время циклов зарядки и разрядки, что со временем приводит к потере емкости.
Добавление скандия (Sc)
Исследовательская группа изучила, как добавление скандия (Sc) в материал катода может смягчить эту проблему.
«Ранее мы обнаружили, что легирование электродов P′2 Na2/3[Mn1−xScx]O2 скандием может улучшить производительность батареи и ее долгосрочную стабильность», — заявил профессор Комаба.
Однако точный механизм этого улучшения остаётся неясным, и неясно, применим ли этот эффект в целом. В данном исследовании мы систематически изучали политипы P2 и P'2 Na2/3[Mn1−xScx]O2, чтобы понять роль легирования Sc.
Исследование показало, что введение скандия в политип P′2 катодного материала способствовало сохранению его структурной целостности.
Исследователи сообщили, что легирование Sc изменяет рост кристаллов, снижает побочные реакции с электролитом и повышает влагостойкость.
Этот эффект был характерен для комбинации скандия и политипа P′2; подобные улучшения не наблюдались в политипе P2 или при легировании другими металлами, такими как иттербий и алюминий.
В испытаниях Na-полуэлементов образец с 8% легированием скандием показал оптимальные характеристики. При использовании этого катода для изготовления цельных элементов монетного типа он продемонстрировал сохранение ёмкости 60% после 300 циклов.
Улучшение структурной устойчивости
Комаба отметил, что исследование представляет собой новый подход к улучшению структурной стабильности слоистых оксидов металлов для применения в аккумуляторах.
«Более того, помимо натрий-ионных аккумуляторов, наше исследование иллюстрирует новую стратегию по повышению структурной стабильности слоистых оксидов металлов, включающую искажение решетки, и улучшению производительности аккумуляторов, изготовленных с использованием этих материалов».
Примечательно, что исследователи по всему миру стремятся повысить емкость и производительность натриевых аккумуляторов.
Недавно исследовательская группа заявила, что ей удалось преодолеть ахиллесову пяту натриевых аккумуляторов: короткие замыкания и быструю потерю емкости при быстрой зарядке.
Повысив концентрацию соли в электролите, учёные добились более плавного и контролируемого осаждения ионов натрия. Благодаря этому элементы стали безопаснее, долговечнее и заряжаются гораздо быстрее. После 500 циклов зарядки-разрядки элементы сохраняли более 70% своей ёмкости.
Sourse: interestingengineering.com
