В лаборатории процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разработаны две новые электрохимические системы для натрий-ионных аккумуляторов: первая — с положительным электродом на основе ферроманганофосфата натрия и отрицательным электродом на основе наностержня из фосфида германия-кобальта, вторая — с положительным электродом на основе ванадофосфата натрия, легированного железом, и отрицательным электродом на основе того же наностержня.

Ранее в лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН за счёт применения совершенно новых функциональных материалов — нановолокон германия и наностержней фосфида германия — были созданы литий-ионные аккумуляторы с повышенной ёмкостью и сохраняющие работоспособность при экстремально низких температурах.

Последние два десятилетия во всём мире интенсивно ведутся разработки устройств так называемой «пост-литий-ионной эпохи», главным представителем которой является натрий-ионный аккумулятор. Широкомасштабное производство натрий-ионных аккумуляторов только-только зарождается, но в лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН уже задумались о новых электрохимических системах для таких аккумуляторов. При этом учитывается опыт, накопленный при разработках литиевых систем: оказалось, что фосфид германия способен так же внедрять натрий, как и литий.

Электрохимическая система для натрий-ионных аккумуляторов

Исследователи установили, что для внедрения натрия больше подходит не простой фосфид германия, а фосфид германия-кобальта, который можно получать по сходной технологии электролизом водного раствора. Наностержни из фосфида германия-кобальта имеют ёмкость по внедрению натрия 425 мАч/г, что почти в полтора раза превышает ёмкость используемого сейчас твёрдого углерода. В качестве активных материалов положительного электрода были выбраны ванадофосфат натрия, допированный железом [Na₃V_1.9Fe_0.1(PO₄)₃] и ферроманганофосфат натрия [NaFe_0.5Mn_0.5PO₄], причём электрохимические характеристики первого материала оказались несколько лучше.

Лабораторные макеты, собранные по новым электрохимическим системам, показали хорошую циклическую стабильность и имели удельную энергию 165‒170 Втч/кг, что превышает удельную энергию обычных натрий-ионных аккумуляторов с отрицательным электродом из твёрдого углерода.

Работа признана одной из наиболее интересных работ секции «Электрохимия» при Учёном совете ИФХЭ РАН в 2023 году. Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 21-13-00160). Результаты опубликованы в Russian Journal of Physical Chemistry A.

Текст: Александр Скундин, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН.
Источник: ИФХЭ РАН.