Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали мета-слабосольватирующий электролит, который позволяет стабильно работать высоковольтным натрий-ионным аккумуляторам. В лабораторных испытаниях полные ячейки с использованием нового электролита сохранили 80% первоначальной емкости после 500 циклов зарядки-разрядки. Это значительно превышает показатели стандартных устройств, которые обычно выдерживают от 100 до 300 циклов до достижения аналогичного уровня деградации.
«Разработка альтернативных аккумуляторных систем на основе распространенных в земной коре элементов становится все более важной, – отметили авторы исследования, опубликованного в журнале Nano Energy. – Поскольку натрий является ближайшим к литию щелочным металлом, обладающим схожей химией и гораздо большей доступностью, натрий-ионные аккумуляторы естественным образом занимают позицию перспективной технологии для хранения энергии следующего поколения».
Электрохимические испытания проводились при постоянной температуре 30 градусов Цельсия с использованием солей гексафторфосфата натрия (NaPF₆) и бис(фторсульфонил)имида натрия (NaFSI).
Большинство обычных электролитов для батарей сильно сольватируют ионы металлов, помогая им перемещаться через жидкость. При этом образуется стабильная оболочка ион-растворитель, которую бывает трудно разрушить, когда ион достигает поверхности электрода. Если оболочка не отделяется должным образом, молекулы электролита часто вовлекаются в нежелательные побочные реакции на границе раздела, что приводит к постепенной деградации материалов аккумулятора.
Разработка PNNL использует промежуточную структуру сольватации, в которой ионы натрия менее прочно связаны с молекулами растворителя.
«Мы обнаружили, что замена обычных несольватирующих разбавителей, таких как TTE, на слабосольватирующий трис(2,2,2-трифторэтил)фосфат (TFP) позволяет устранить ограничения существующих электролитов, сохраняя при этом обогащенную анионами среду вокруг ионов натрия», – пояснили ученые.
После 50 циклов исследователи провели анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Результаты показали, что новая формула электролита улучшила стабильность на границе раздела при высоком напряжении и снизила ток утечки при использовании натрий-никель-марганцево-железо-оксидных катодов и твердоуглеродных анодов.
Ведущий автор исследования Ан Л. Фан заявил, что новая стратегия регулирует структуру сольватации натрия, способствуя благоприятным реакциям и подавляя нежелательные. Это приводит к снижению необратимых потерь материала и улучшению электрохимической стабильности при длительном циклировании.