Сотрудникам химического факультета МГУ удалось синтезировать перспективный материал для натрий-ионных аккумуляторов. Эти аккумуляторы считаются более дешевой альтернативой широко используемым сейчас литий-ионным аккумуляторам.
Быстрое развитие технологии литий-ионных аккумуляторов всего за несколько десятилетий привело к массовому распространению компактных и емких источников питания для многочисленных мобильных устройств, хранилищ электроэнергии и даже транспортных средств. Однако возникла принципиальная проблема — при нынешнем росте потребления и уровне технологий добычи лития его ресурсы могут быть исчерпаны, к тому же это не самое дешевое сырье. Помочь решению проблемы может частичный переход на альтернативный носитель заряда в аккумуляторах — натрий.
По энергетическим характеристикам натрий-ионный аккумулятор близок к литий-ионному, но его основной рабочий катион примерно в сто раз дешевле лития (одна тонна карбоната натрия стоит 200 долларов, тогда как лития — 20 000). К тому же химические свойства натрия позволяют использовать в аноде легкий и дешевый алюминий вместо тяжелой и дорогой меди.
К сожалению, больший радиус иона натрия по сравнению с ионом лития приводит к уменьшению плотности хранения энергии в электроде. При той же энергоемкости аккумулятор получается на 30-50% больше. Это делает натрий-ионные аккумуляторы менее привлекательными для мобильных устройств, но для крупногабаритных батарей — скажем, в электромобиле или стационарном хранилище электроэнергии — они вполне подходят.
Специалисты кафедры электрохимии МГУ, возглавляемые старшим научным сотрудником, к.х.н. Олегом Дрожжиным, впервые синтезировали новый материал для натрий-ионных аккумуляторов — натрий-ванадиевый пирофосфат — и охарактеризовали его электрохимические свойства.
Энергоемкость материала достигает 420 Вт·ч/кг. Это всего на 20% меньше 530 Вт·ч/кг — показателя катодного материала LiCoO2 на основе лития, и значительно выше энергоемкости многих ранее изученных потенциальных натриевых катодных материалов. Не менее важным достоинством нового материала является крайне малое изменение объема при заряде-разряде. По этому показателю, равному 0,5%, он близок к литий-титановой шпинели, которая используется в аккумуляторах электромобилей, поскольку считается самым стабильным, мощным и безопасным анодным материалом.
Каркас натрий-ванадиевый пирофосфата может обратимо отдавать и внедрять до двух катионов натрия на одну элементарную ячейку. По суммарной емкости такого циклирования, примерно равной 220 мА·ч/г, пирофосфат является рекордсменом среди подобных материалов. Кроме того, это означает, что он потенциально может стать и анодным материалом натрий-ионных аккумуляторов. Химики МГУ планируют дополнительно улучшить электрохимические свойства соединения, изменив начальную степень окисления ванадия и частичного заместив его другими катионами.
