Аргументы в пользу твердоуглеродных натрий-ионных аккумуляторов
Натриево-ионные аккумуляторы привлекли к себе пристальное внимание благодаря своим преимуществам перед широко распространенной литий-ионной технологией: дешевизне сырья, повышенной безопасности, возможности быстрой зарядки и работы при низких температурах. Поскольку эта технология находится на пороге коммерциализации, поиск электродных материалов с высокими электрохимическими характеристиками продолжается, и наиболее перспективным анодным материалом становится твердый углерод.
В новой научной статье, авторами которой являются ученые из Университета Фучжоу (Китай) и Университета Макао, обобщены проблемы и перспективы развития твердого углерода.
Исследователи отмечают, что коммерциализация твердого углерода по-прежнему сталкивается с такими техническими проблемами, как низкая начальная кулоновская эффективность, низкие скоростные характеристики и недостаточная стабильность при циклировании, что обусловлено внутренне неоднородной микроструктурой твердого углерода.
«Для решения этих проблем рациональное проектирование микроструктуры твердого углерода имеет решающее значение для создания высокоэффективных натриево-ионных аккумуляторов за счет глубокого понимания корреляций между структурой и характеристиками», — пишут авторы.
Кроме того, в обзоре рассматривается целый ряд исследований, связанных с появлением твердоуглеродных электродов, в том числе механизм аккумулирования натрия в твердоуглеродных электродах, выбор прекурсоров твердого углерода, разработка соответствия электролитов и требования к практической коммерческой реализации.
Исследователи подчеркивают важность выбора прекурсора: большинство прекурсоров для твердоуглеродных электродов получены из материалов биомассы и производных промышленных продуктов, таких как целлюлоза, лист гинкго, глюкоза, хлопок, смола, сахароза или глюкоза. «Выбор недорогих и масштабируемых прекурсоров стал ключевым фактором, влияющим на коммерциализацию твердого углерода», — пишут авторы.
В обзоре также рассматриваются различные механизмы аккумулирования натрия, такие как модель введения-нанопорового заполнения, модель поглощения-введения, модель поглощения-нанопорового заполнения или модель поглощения-введения-нанопорового заполнения, которые позволяют получать твердые углеродные материалы с различными свойствами.
Кроме того, исследователи подчеркивают важность сочетания твердого углеродного электрода с подходящим электролитом как важного фактора, влияющего на электрохимические характеристики батарей. Они отмечают, что сложноэфирные электролиты плохо сочетаются с твердым углеродом, поэтому поиск высоковольтных сложноэфирных электролитов должен стать приоритетной задачей.
«В будущем определение путей создания высокоэффективного твердого углерода для достижения практического коммерческого применения натрий-ионных аккумуляторов является чрезвычайно важным, что потребует глубокого понимания реального механизма хранения ионов натрия, подготовки твердого углерода и выбора прекурсоров, а также регулирования электролитов», — пишут исследователи.
В заключение в работе выделены направления дальнейшего развития твердого углерода для достижения коммерциализации высокоэффективных натрий-ионных аккумуляторов.
К ним относятся дальнейшее изучение механизма аккумулирования натрия в твердом углероде для улучшения электрохимических характеристик твердоуглеродных электродов, дальнейшее улучшение их электрохимических характеристик, разработка материалов-прекурсоров с низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высоким выходом углерода, а также материалов, получаемых из отходов промышленного производства, а также пресодиационная обработка, способная обеспечить высокую кулоновскую эффективность и оптимизировать плотность энергии батареи.
Хотя появление электродов из твердого углерода действительно способствовало коммерциализации натриево-ионных батарей, для того чтобы сделать их коммерциализацию реальностью, необходимо проделать еще большую работу