Результаты были опубликованы в Scientific Reports в ноябре 2018 года под руководством Наото Танибата, Ph.D., доцент кафедры передовой керамики НИТех.
Популярные литий-ионные аккумуляторы обладают рядом преимуществ – они перезаряжаемые и имеют широкий спектр применения.
Они используются в таких устройствах, как ноутбуки и сотовые телефоны, а также в гибридных и полностью электрических автомобилях. Электромобиль – жизненно важная технология для борьбы с загрязнением в сельской местности, а также для создания экологически чистого и устойчивого транспорта – играет важную роль в усилиях по разрешению энергетического и экологического кризисов. Одним из недостатков лития является то, что это ограниченный ресурс. Это не только дорого, но и его годовой объем (технически) ограничен (из-за процесса сушки).
Учитывая повышенный спрос на устройства с батарейным питанием и, в частности, электромобили, потребность в поиске альтернативы литию – как дешевой, так и доступной – становится насущной.
Натрий-ионные аккумуляторы являются привлекательной альтернативой литиево-ионным аккумуляторам по нескольким причинам.
Натрий – не ограниченный ресурс – его много как в земной коре, так и в морской воде. Кроме того, компоненты на основе натрия имеют возможность значительно сократить время зарядки при соответствующей конструкции кристаллической структуры. Тем не менее, натрий нельзя просто заменить литием, используемым в текущих материалах батарей, так как это больший размер иона и немного другой химический состав.
Поэтому исследователям предлагается найти лучший материал для ионно-натриевой батареи среди огромного количества кандидатов методом проб и ошибок.
Ученые NITech нашли рациональный и эффективный способ решения этой проблемы. После извлечения около 4300 соединений из базы данных по кристаллической структуре и проведения высокопроизводительных вычислений указанных соединений, одно из них дало положительные результаты и, следовательно, было многообещающим кандидатом в качестве компонента натрий-ионной батареи.
Исследователи установили, что Na2V3O7 демонстрирует желаемые электрохимические характеристики, а также кристаллическую и электронную структуру. Этот компаунд демонстрирует высокую скорость зарядки, так как его можно стабильно заряжать в течение 6 минут. Кроме того, исследователи продемонстрировали, что соединение обеспечивает долгое время автономной работы, а также короткое время зарядки.
«Наша цель состояла в том, чтобы справиться с самым большим препятствием, с которым сталкиваются крупномасштабные аккумуляторы в таких приложениях, как электромобили, которые в значительной степени зависят от длительной зарядки. Мы подошли к проблеме с помощью поиска, который позволил бы найти материалы, достаточно эффективные для повышения производительности батареи."
Несмотря на благоприятные характеристики и общее желаемое влияние на натриево-ионные аккумуляторы, исследователи обнаружили, что Na2V3O7 подвергся износу на заключительных этапах зарядки, что ограничивает практическую емкость аккумулятора половиной от теоретической. Таким образом, в своих будущих экспериментах исследователи стремятся сосредоточиться на улучшении характеристик этого материала, чтобы он мог оставаться стабильным на протяжении всего периода зарядки. «Наша конечная цель – разработать метод, который позволит нам эффективно проектировать материалы батарей с помощью комбинации вычислительных и экспериментальных методов», – сказал доктор.
Танибата добавляет.