Натрий вместо лития? Российская разработка обещает революцию в аккумуляторах

Российские учёные из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН) совместно с зарубежными коллегами синтезировали новый анодный материал для натрий-ионных аккумуляторов. Он создан на основе сульфида германия и двумерного материала максен (MXene). По словам авторов, этот анод способен стабильно работать при высоких скоростях заряда и разряда, демонстрируя долговечность даже после множества циклов.

Открытие может стать шагом вперёд в развитии аккумуляторных технологий, особенно для областей, где важны высокая плотность энергии и устойчивость к экстремальным нагрузкам.

Какие бывают анодные материалы

Сегодня аноды для металл-ионных аккумуляторов делятся на три типа:

• Интеркаляционные материалы. Позволяют внедрять ионы в кристаллическую решётку без сильных изменений объёма. Отличаются стабильностью и именно поэтому широко используются в смартфонах, ноутбуках и электромобилях.

• Конверсионные материалы. Вступают в реакцию с образованием новых соединений, что сопровождается значительным изменением объёма и потерями энергии.

• Сплавные материалы. Формируют сплав с щелочным металлом. Обладают высокой ёмкостью, но страдают от колоссального расширения — до 300 %, что разрушает электрод.

Несмотря на недостатки, именно конверсионно-сплавные материалы интересны учёным: их ёмкость значительно выше, чем у интеркаляционных, что особенно ценно в портативной электронике, космических приборах и медицинских имплантатах.

Как улучшить характеристики

Главная проблема сплавных и конверсионных анодов — нестабильность. Один из методов её решения — создание композитов, где активный материал наносят тонким слоем на проводящую подложку. Это даёт:

• рост электропроводности;

• увеличение удельной поверхности;

• улучшение скоростных характеристик;

• повышение долговечности при многократном циклировании.

Что сделали учёные

Исследователи предложили новый тонкоплёночный электрод для натрий-ионных батарей. Он основан на двумерном карбиде титана (MXene), покрытом сульфидом германия.

"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", — рассказал старший научный сотрудник ИОНХ РАН, кандидат химических наук Алексей Михайлов.

По его словам, сочетание высокой проводимости MXene и большой удельной ёмкости сульфида германия сделало полученный композит особенно перспективным.

Результаты испытаний

Новый материал показал исключительную устойчивость к высоким токам: даже при увеличении плотности тока в 30 раз ёмкость упала менее чем на 15 %.

Сравнение также показало превосходство анода GeSₓ/MXene над аналогами:

• анодами на основе GeS₂,

• композитами с восстановленным оксидом графена (rGO).

Сравнение анодов

Советы шаг за шагом: где применить такие аноды

1. Портативная электроника. Смартфоны и ноутбуки, где важны компактность и ёмкость.

2. Электротранспорт. Велосипеды и скутеры с быстрой зарядкой.

3. Аэрокосмическая техника. Устройства, где каждый грамм и миллиметр важен.

4. Медицинские имплантаты. Аккумуляторы с высокой плотностью энергии и стабильностью.

5. Хранение энергии. Стационарные системы для возобновляемых источников.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использовать чистый GeS₂.
  Последствие: быстрая деградация при высоких токах.
  Альтернатива: композит GeSₓ/MXene.

• Ошибка: выбирать только интеркаляционные материалы.
  Последствие: ограничение ёмкости.
  Альтернатива: гибридные системы с MXene.

• Ошибка: игнорировать проблему расширения фазы.
  Последствие: разрушение электрода.
  Альтернатива: наноструктурированные покрытия и добавки.

А что если…

А что будет, если такие материалы внедрят в массовые аккумуляторы? Тогда появятся батареи, способные заряжаться значительно быстрее и при этом сохранять стабильность на протяжении тысяч циклов. Это может повлиять не только на рынок гаджетов, но и на электротранспорт.

Плюсы и минусы нового материала

FAQ

Чем натрий-ионные аккумуляторы отличаются от литий-ионных?
Они дешевле, так как натрий распространённее лития, но пока уступают по плотности энергии.

Можно ли применять новый анод в литий-ионных батареях?
В принципе да, но его преимущество проявляется именно в натрий-ионных системах.

Когда такие материалы могут появиться в реальных устройствах?
Это зависит от масштабируемости производства. Обычно путь от лаборатории до промышленности занимает 5-10 лет.

Мифы и правда

• Миф: натрий-ионные батареи не могут конкурировать с литий-ионными.
  Правда: новые материалы вроде GeSₓ/MXene меняют баланс в их пользу.

• Миф: высокоёмкие аноды всегда нестабильны.
  Правда: композиты MXene решают проблему деградации.

• Миф: новые материалы слишком дороги.
  Правда: стоимость падает при масштабировании производства.

3 интересных факта

• MXene — это класс двумерных материалов, открытый в 2011 году, который быстро нашёл применение в электрохимии.
• Сульфид германия способен образовывать несколько фаз (GeS, GeS₂), каждая со своими свойствами.
• Натрий-ионные батареи рассматриваются как альтернатива для крупных систем хранения энергии, где важна не плотность, а цена.

Исторический контекст

• 2010-е: рост интереса к натрий-ионным системам как замене литиевых.

• 2011 год: открытие MXene и его первых применений.

• 2020-е: развитие композитных анодов на основе MXene.

• 2025 год: российские учёные синтезировали анод GeSₓ/MXene с высокой стабильностью.