Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) по‑прежнему доминируют на рынке, но для массового хранения энергии нужны более дешёвые и ресурсно доступные системы. Натрий-ионные батареи выглядят логичным кандидатом: натрия в земной коре намного больше, чем лития. Однако сочетать высокую энергоёмкость с долговечностью пока сложно.
Кислородный редокс в решётке: плюс энергия, минус стабильность
Во многих натрий-ионных системах положelectрод — это слоистый оксидный катод: металлическо‑кислородные слои, между которыми находятся ионы натрия. Обычно редокс‑процессы идут на ионах переходных металлов, но в ряде высокоэнергетических материалов в них участвует и решёточный кислород.
Такой lattice-oxygen redox повышает удельную энергию, но имеет серьёзный недостаток: окисленный кислород часто не полностью возвращается в исходное состояние при разряде. При многократных циклах это приводит к структурной деградации катода и потере ёмкости.
Стратегия с железом как «электронным шаттлом»
Группа Шийона Чу и Лигуана Вана из Нанкинского университета, опубликовавшая работу в Nature Energy, предложила изящное решение: использовать ионы железа как медиаторы редокса, которые помогают кислороду забирать и отдавать электроны.
Исследователи синтезировали новый слоистый оксид с составом Na2/3Mn7/12Mg1/4Fe1/6O2 (Na–Mn–Mg–Fe–O). В этом катоде:
- при заряде Fe⁴⁺ захватывает электроны у решёточного кислорода;
- при разряде Fe²⁺ возвращает электроны окисленному кислороду по химическим путям.
В результате обратимость кислородного редокса возрастает примерно с 75% до 99%.
Результаты для натрий-ионного pouch‑элемента
На основе нового катода был собран натрий-ионный pouch‑элемент, который показал:
- удельную энергию: 206 Вт·ч/кг;
- ток разряда: 50 мА/г;
- ресурс: стабильная работа 100 циклов с сохранением 87,8% ёмкости.
Хотя эта химия пока на лабораторной стадии, концепция железо-опосредованного lattice-oxygen redox открывает перспективный путь к более стабильным и долговечным высокоэнергетическим натрий-ионным аккумуляторам, потенциально пригодным для сетевого хранения энергии и других стационарных систем.
Источник: Phys.org
