Вчені використовують неорганічні сполуки на основі цинку, щоб значно підвищити ємність натрієвих і калієвих акумуляторів.
Зарядка автомобільного акумулятора – наочне фото. Кредит зображення: JUICE через Unsplash, безкоштовна ліцензія
Літій-іонні акумулятори (LIB) є, безумовно, найпоширенішим типом акумуляторних батарей, що охоплює численні застосування. Це побутова електроніка, електромобілі (наприклад, автомобілі Tesla), системи відновлюваної енергії та космічні кораблі.
Хоча LIB забезпечують найкращу продуктивність у багатьох аспектах порівняно з іншими акумуляторними батареями, вони мають достатню частку недоліків. Літій є досить дефіцитним ресурсом, і його ціна швидко зростатиме зі зменшенням його доступності.
Крім того, екстракція літію та неправильна утилізація LIB створюють величезні екологічні проблеми, оскільки рідкі електроліти, які зазвичай використовуються, є токсичними та легкозаймистими.
Недоліки LIB спонукали дослідників у всьому світі шукати альтернативні технології зберігання енергії. Натрієві (Na)-іонні батареї (NIB) та калій-іонні батареї (KIB) — це два варіанти, які швидко з’являються як економічні, так і екологічні. Очікується, що до кінця десятиліття як NIBs, так і KIBs стануть індустрією з мільярдними доходами.
Уряди в усьому світі, включаючи уряди США, Австрії, Гонконгу, Німеччини та Австралії, сприяють дослідженням та інноваціям у цій галузі. Крім того, такі компанії, як Faradion Limited, TIAMAT SAS і HiNa Battery Technology Co. Ltd., вкладають значні кошти в цю технологію. Очікується, що Contemporary Amperex Technology Co. Limited і Build Your Dreams незабаром представить акумуляторні батареї для електромобілів з NIB.
Однак, на жаль, потужність електродних матеріалів, що використовуються в NIB та KIB, все ще відстає від LIB. На цьому тлі дослідницька група під керівництвом професора Шінічі Комаби з Токійського університету науки (TUS), Японія, працювала над розробкою новаторських високоємних електродних матеріалів для NIB і KIB.
У своєму останньому дослідженні опубліковані в Сучасні енергетичні матеріали 9 листопада 2023 року вони повідомляють про нову стратегію синтезу наноструктурованих електродів з «твердого вуглецю» (HC), які забезпечують безпрецедентну продуктивність. Співавторами дослідження були пан Дайсуке Ігарасі, пані Йоко Танака та молодший доцент Ріоїчі Татара з TUS, а також доктор Кей Кубота з Національного інституту матеріалознавства (NIMS), Японія.
Але що таке HC і чому він корисний для NIB та KIB? На відміну від інших форм вуглецю, таких як графен або алмаз, HC є аморфним; йому не вистачає чітко вираженої кристалічної структури. Крім того, він міцний і стійкий. У попередньому дослідженні 2021 року професор Комаба та його колеги знайшли спосіб використовувати оксид магнію (MgO) як матрицю під час синтезу HC електродів для NIB, змінюючи їх кінцеву наноструктуру.
Процес призвів до утворення нанопор всередині електродів після видалення MgO, що, у свою чергу, значно збільшило їх здатність зберігати Na+ іонів.
Керуючись своїми попередніми висновками, дослідники досліджували, чи можуть сполуки, виготовлені з цинку (Zn) і кальцію (Ca), також бути корисними як нано-шаблони для HC електродів. З цією метою вони систематично досліджували різні зразки HC, виготовлені з використанням оксиду цинку (ZnO) і карбонату кальцію (CaCO3) і порівняли їх продуктивність з тими, які були синтезовані з використанням оксиду магнію (MgO).
Попередні експерименти показали, що ZnO є особливо перспективним для негативного електрода NIB. Відповідно, дослідники оптимізували концентрацію ZnO, вбудованого в матрицю HC під час синтезу, продемонструвавши оборотну ємність 464 мА·год·г-1 (відповідає NaC4.8) з високою початковою кулонівською ефективністю 91.7% і низьким середнім потенціалом 0.18 В порівняно з Na+/На.
Команда досягла чудових результатів, включивши цей потужний електродний матеріал у справжню батарею. «NIB, виготовлений з використанням оптимізованого шаблону HC з ZnO як негативного електрода, продемонстрував щільність енергії 312 Вт·год кг-1, Â € підкреслює професор Комаба.
«Це значення еквівалентно щільності енергії певних типів комерціалізованих на даний момент LIB з LiFePO4 та графіту та більш ніж у 1.6 рази перевищує щільність енергії перших NIB (192 Вт·год кг-1), про що наша лабораторія повідомила ще в 2011 році». Примітно, що шаблонний HC з ZnO також продемонстрував значну ємність 381 мА·год·г-1 будучи включеною до KIB, ще більше демонструючи її потенціал.
Взяті разом, результати цього дослідження показують, що використання неорганічних наночастинок як матриці для контролю структури пор може стати ефективним керівництвом для розробки HC електродів. «Наші результати доводять, що углеводороди є перспективними кандидатами на негативні електроди як альтернативу графіту», підсумовує професор Комаба.
Формування твердого вуглецю для отримання виняткових електродів великої ємності для натрієво-іонних батарей: можна включити нанопори в твердий вуглець, використовуючи оксид цинку як шаблон під час його синтезу. Ці пори дозволяють матеріалу зберігати набагато більше носіїв заряду, що робить його перспективним кандидатом на електроди для натрій-іонних акумуляторів, які можуть досягати щільності енергії, порівнянної з літій-іонними акумуляторами типу LiFePO4. Кредит зображення: Shinichi Komaba з TUS Japan
У свою чергу, це може зробити NIB життєздатними для практичних застосувань, таких як розробка стійкої споживчої електроніки та електромобілів, а також систем зберігання енергії з низьким викидом вуглецю для зберігання енергії від сонячних і вітрових електростанцій.
джерело: Токійський університет науки
