Ученые химического факультета МГУ совершили значительный шаг вперед, синтезировав перспективный материал для натрий-ионных батарей. Эта технология рассматривается как экономичная альтернатива распространенным литий-ионным аккумуляторам.
Эволюция аккумуляторов и вызовы лития
Литий-ионные аккумуляторы, появившиеся в 1990-х, получили мощный импульс благодаря портативной электронике и сейчас активно развиваются в сфере электротранспорта, робототехники и систем хранения энергии. Их создание было отмечено Нобелевской премией в 2019 году. Однако дальнейший прогресс сдерживается ограниченностью ресурсов лития и его высокой стоимостью. Переход на натрий как носитель заряда открывает новые возможности для решения этих задач.
Натрий против лития: преимущества и задачи
Натрий-ионные аккумуляторы демонстрируют энергетические характеристики, близкие к литий-ионным, при этом натрий значительно дешевле. Его свойства позволяют использовать легкий и доступный алюминий вместо дорогостоящей меди. Основное ограничение связано с большим размером иона натрия, что снижает плотность энергии и требует увеличения габаритов батарей на 30-50% для достижения сравнимой емкости. Это делает их пока менее пригодными для портативных устройств, но открывает широкие перспективы для крупных систем – от электромобилей до промышленных накопителей энергии.
Инновация химфака МГУ: синтез и свойства
Исследователи кафедры электрохимии МГУ впервые синтезировали и детально изучили электрохимические свойства нового соединения – натрий-ванадиевого пирофосфата β-NaVP₂O₇. Поиск новых материалов часто основывается на изучении соединений со схожей структурой. Ученые обратили внимание на структуру, ранее характерную для крупных катионов, и успешно синтезировали ее с натрием, обнаружив уникальные электрохимические свойства.
Рекордная энергоемкость и стабильность
Энергоемкость нового материала достигает впечатляющих 420 Вт*ч/кг, что лишь на 20% меньше, чем у широко используемого литиевого катода LiCoO₂ (530 Вт*ч/кг), и существенно превосходит многие другие перспективные натриевые материалы. Еще одно ключевое преимущество – минимальное изменение объема материала при циклах заряда-разряда, составляющее всего 0,5%. Эта исключительная стабильность напрямую влияет на долговечность батареи, предотвращая быструю потерю емкости.
Многофункциональный потенциал материала
Каркас синтезированного пирофосфата способен обратимо принимать и отдавать до двух ионов натрия на элементарную ячейку. Суммарная емкость этого процесса составляет около 220 мАч/г – рекордный показатель для материалов данного класса. Более того, такие свойства указывают на потенциал соединения для использования не только в качестве катода, но и как анодного материала в натрий-ионных аккумуляторах.
Перспективы развития технологии
Исследователи видят значительный потенциал для дальнейшего улучшения электрохимических характеристик материала. Планируется оптимизировать его свойства путем регулирования степени окисления ванадия и частичного замещения его другими катионами. Это открывает путь к созданию еще более эффективных натрий-ионных аккумуляторов будущего.
