Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Еврейского университета в Иерусалиме разработали новый уникальный анодный материал на основе сульфида германия и максена (MXene) для натрий-ионных аккумуляторов, способный стабильно работать на протяжении большого количества циклов при высоких скоростях заряда/разряда. Предложенный синтетический подход открывает новые возможности получения MXene-содержащих материалов для накопления энергии с высокой удельной электрохимической емкостью. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Colloid And Interface Science.
Современные анодные материалы для металл-ионных аккумуляторов делятся на три основных типа. Интеркаляционные материалы обратимо внедряют ионы металла в свою кристаллическую структуру с минимальными изменениями объема, обеспечивая высокую стабильность и долгий срок службы, чем и обусловлена коммерциализация анодов этого типа и их широкое использование в различных устройствах, от мобильных телефонов до аккумуляторов электротранспорта.
Конверсионные материалы вступают в реакцию с полным разрушением и образованием новых соединений, что часто сопровождается большими изменениями объема и низкой энергоэффективностью. Сплавные материалы образуют сплавы с щелочным металлом, демонстрируя высокие значения емкости, однако их применение ограничено колоссальным (до 300%) объемным расширением фазы активного материала, приводящим к разрушению электрода.
Общим недостатком конверсионных и сплавных, а также сочетающих оба механизма конверсионно-сплавных материалов, ограничивающим их применение, является гистерезис напряжения при циклировании, что приводит к низкой энергоэффективности и потере до 25 % энергии в ходе одного цикла. Вместе с тем конверсионно-сплавные анодные материалы представляют интерес для ряда нишевых применений.
Это связано с их принципиально более высокой удельной электрохимической емкостью по сравнению с интеркаляционными материалами. Благодаря этому преимуществу они перспективны для использования в областях, где критично максимальное количество энергии, запасенное в минимальном объеме или массе аккумулятора, то есть, плотность энергии, например, в специальной портативной электронике, средствах аэрокосмической техники и медицинских имплантатах.
Существенное улучшение электрохимических характеристик может быть достигнуто за счет модификации состава и морфологии конверсионных материалов. Традиционный подход к созданию таких анодных материалов заключается в использовании проводящей подложки в качестве основы для тонкого покрытия из наночастиц электрохимически активной фазы. Это позволяет повысить электропроводность, увеличить удельную поверхность, улучшить скоростные характеристики электрода, а также решить проблемы стабильности материала при длительном циклировании.
Российские исследователи совместно с коллегами из Израиля получили эффективный электродный материал на основе сульфида германия и максена для натрий-ионного аккумулятора, способный стабильно работать на протяжении большого количества циклов при высоких скоростях заряда/разряда.
По словам авторов, разработанный композиционный материал показал исключительную устойчивость к высоким токам заряда-разряда: увеличение плотности тока в 30 раз (от 0.1 до 3 А·г⁻¹) приводит к потере емкости менее 15%. Важно отметить, что при высоких плотностях тока (более 1 А·г⁻¹) полученный анод (GeSₓ/MXene) превосходит по характеристикам аналогичные аноды на основе GeS₂ и восстановленного оксида графена (rGO), синтезированные аналогичным методом.
«В данной работе представлен новый тонкопленочный электрод для натрий-ионных аккумуляторов на основе двумерного карбида титана с покрытием из сульфида германия. Материал был синтезирован с добавлением поверхностно-активных веществ, что позволило предотвратить агрегацию и контролировать размер частиц. Разработанные нами композиты представляют особый интерес в качестве анодов для натрий-ионных аккумуляторов благодаря сочетанию высокой электропроводности максена и повышенной удельной емкости сульфида германия», — прокомментировал исследование старший научный сотрудник Лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН, кандидат химических наук Алексей Михайлов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИОНХ РАН.
Изображение: схема синтеза композиционного материала MX/GeS2 (автор рисунка Дмитрий Гришанов)
Источник: ИОНХ РАН
