Соревнование? Срок службы натриево-ионных аккумуляторов короче, чем у их литиевых братьев и сестер.
Исследователь вычислительных материалов Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Крис Ван де Валле и его коллеги обнаружили причину потери емкости натриевых батарей: непреднамеренное присутствие водорода, которое приводит к разрушению электрода батареи.
Ван де Валле и соавторы Чжэнь Чжу и Хартвин Пилаерс опубликовали свои выводы в журнале Chemistry of Materials.
«Водород обычно присутствует во время изготовления катодного материала, либо он может быть добавлен из окружающей среды или из электролита», – сказал Чжу, который сейчас находится в Гугл. «Известно, что водород сильно влияет на свойства электронных материалов, поэтому нам было интересно узнать его влияние на NaMnO2 (диоксид марганца натрия), распространенный катодный материал для натриево-ионных аккумуляторов."Чтобы изучить это, исследователи использовали вычислительные методы, которые способны предсказывать структурные и химические эффекты, возникающие из-за наличия примесей.
Профессор Пилаерс, ныне работающий в Университете Канзаса, описал основные выводы: «Мы быстро поняли, что водород может очень легко проникать в материал и что его присутствие позволяет атомам марганца оторваться от основной цепи оксида марганца, которая удерживает материал вместе.
Такое удаление марганца необратимо и приводит к уменьшению емкости и, в конечном итоге, к деградации аккумулятора."
Исследования проводились в Группе вычислительных материалов Ван де Валле в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
«Более ранние исследования показали, что потеря марганца может происходить на границе раздела с электролитом или может быть связана с фазовым переходом, но на самом деле не было выявлено триггера», – сказал Ван де Валле. «Наши новые результаты показывают, что потеря марганца может происходить в любом месте материала, если присутствует водород.
Поскольку атомы водорода настолько малы и реакционны, водород является обычным загрязнителем материалов. Теперь, когда отмечено его пагубное воздействие, во время изготовления и герметизации аккумуляторов можно принять меры для предотвращения включения водорода, что должно привести к повышению производительности."
Фактически, исследователи подозревают, что даже широко распространенные литий-ионные батареи могут страдать от вредных последствий непреднамеренного включения водорода. Вызывает ли это меньше проблем, потому что методы изготовления в этой зрелой системе материалов еще более продвинуты, или потому, что литиевые батареи должны быть более устойчивыми к водороду, по фундаментальной причине, в настоящее время неясно, и это будет областью будущих исследований.
Работа финансировалась Управлением науки США. S. Министерство энергетики (DOE).
Вычислительные ресурсы предоставлены Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований при поддержке Министерства энергетики.