Синтезирован новый материал для аккумуляторов на основе максена и сульфида германия

Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН) вместе с зарубежными коллегами синтезировали новый анодный материал на основе сульфида германия и максена (MXene) для натрий-ионных аккумуляторов, способный стабильно работать на протяжении большого количества циклов при высоких скоростях заряда/разряда. Предложенный подход открывает новые возможности для получения MXene-содержащих материалов для накопления энергии с высокой удельной электрохимической емкостью.

Современные анодные материалы для металл-ионных аккумуляторов делятся на три основных типа. Интеркаляционные материалы обратимо внедряют ионы металла в свою кристаллическую структуру с минимальными изменениями объема, обеспечивая высокую стабильность и долгий срок службы, чем и обусловлена коммерциализация анодов этого типа и их широкое использование в различных устройствах — от мобильных телефонов до аккумуляторов электротранспорта. Конверсионные материалы вступают в реакцию с полным разрушением и образованием новых соединений, что часто сопровождается большими изменениями объема и низкой энергоэффективностью. Сплавные материалы образуют сплавы с щелочным металлом, демонстрируя высокие значения емкости, однако их применение ограничено колоссальным (до 300 %) объемным расширением фазы активного материала, приводящим к разрушению электрода.

Несмотря на явные недостатки, конверсионно-сплавные анодные материалы представляют интерес для ряда нишевых применений. Это связано с их принципиально более высокой удельной электрохимической емкостью по сравнению с интеркаляционными материалами. Благодаря этому преимуществу они перспективны для использования в областях, где критично максимальное количество энергии, запасенное в минимальном объеме или массе аккумулятора, то есть, плотность энергии, например, в специальной портативной электронике, средствах аэрокосмической техники и медицинских имплантатах.

Ученые стараются улучшить электрохимические характеристики подобных материалов за счет из модификации. Традиционный подход заключается в использовании проводящей подложки в качестве основы для тонкого покрытия из наночастиц электрохимически активной фазы. Это позволяет повысить электропроводность, увеличить удельную поверхность, улучшить скоростные характеристики электрода, а также решить проблемы стабильности материала при длительном циклировании.

Авторы статьи получили эффективный электродный материал на основе сульфида германия и максена для натрий-ионного аккумулятора, способный стабильно работать на протяжении большого количества циклов при высоких скоростях заряда/разряда.

«В данной работе представлен новый тонкопленочный электрод для натрий-ионных аккумуляторов на основе двумерного карбида титана с покрытием из сульфида германия. Материал был синтезирован с добавлением поверхностно-активных веществ, что позволило предотвратить агрегацию и контролировать размер частиц. Разработанные нами композиты представляют особый интерес в качестве анодов для натрий-ионных аккумуляторов благодаря сочетанию высокой электропроводности максена и повышенной удельной емкости сульфида германия», — рассказал один из участников исследования, старший научный сотрудник лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН, кандидат химических наук Алексей Михайлов.

По словам авторов, разработанный композиционный материал показал исключительную устойчивость к высоким токам заряда-разряда: увеличение плотности тока в 30 раз приводит к потере емкости менее, чем на 15 %. При этом, при высоких плотностях тока полученный анод (GeSₓ/MXene) превосходит по характеристикам аналогичные аноды на основе GeS₂ и восстановленного оксида графена (rGO), синтезированные аналогичным методом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания.

Узнавайте первыми главные энергетические новости и актуальную информацию о важных событиях дня в России и мире.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал

"ГИС-Профи. Информационное сопровождение предприятий энергетической отрасли"