Учёные 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 ёмкостью.
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 объёма, 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 объёма и низкой энергоэффективностью. Сплавные материалы образуют сплавы с щелочным металлом, демонстрируя высокие значения ёмкости, однако их применение ограничено колоссальным (до 300 %) объёмным 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 ёмкостью по сравнению с интеркаляционными материалами. Благодаря этому преимуществу они перспективны для использования в областях, где критично максимальное количество энергии, запасённое в минимальном объёме или массе аккумулятора, то есть, плотность энергии, например, в специальной портативной электронике, средствах аэрокосмической техники и медицинских имплантатах.
Учёные стараются улучшить электрохимические характеристики подобных материалов за счёт 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 тонкоплёночный 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 ёмкости 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 ёмкости 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.
