Группа исследователей из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук продемонстрировала сверхбыстрое и высокообратимое хранение ионов натрия с использованием специально разработанных анодов из твёрдого углерода.
Результаты были опубликованы в журнале ACS Nano.
Ионно-натриевые батареи привлекательны, поскольку натрий широко распространён и недорог. Однако их производительность часто ограничивается анодом. Твёрдый углерод — один из наиболее перспективных анодных материалов, но традиционные структуры страдают от эффекта «межслоевого ограничения», который замедляет транспорт ионов натрия.
Попытки ввести дефекты и поверхностные участки могут улучшить подвижность ионов, но слишком большое количество дефектов приводит к чрезмерному разложению электролита и образованию толстого слоя твердоэлектролитного интерфейса (SEI), что снижает начальную кулоновскую эффективность батареи.
В этом исследовании команда разработала стратегию создания пор с использованием газофазного пиролиза.
Во время пиролиза диссоциация аммиака генерирует аминофункциональные группы, которые селективно реагируют с ненасыщенными участками в углеродном скелете. Эта реакция преобразует электрохимически необратимый пиррольный азот в более стабильный и обратимый пиридиновый азот.
Процесс также способствует формированию вертикально выровненных сквозных пор, помогая ионам натрия перемещаться более свободно и снижая эффект межслоевого ограничения.
Аминогруппы также способствуют формированию ультратонкого слоя SEI с градиентным химическим составом. В этом слое области, богатые фтором, под поверхностью улучшают межфазный ионный транспорт и эффективно снижают необратимые потери натрия.
Благодаря этим структурным и межфазным усовершенствованиям разработанный анод из твёрдого углерода достигает очень высокой начальной эффективности и сильной обратимой ёмкости. Даже при чрезвычайно высоких токовых условиях он сохраняет значительную ёмкость и демонстрирует долгосрочную стабильность при циклировании в течение тысяч циклов зарядки-разрядки.
Это исследование открывает многообещающий путь для повышения производительности ионно-натриевых батарей, которые являются перспективной альтернативой литий-ионным технологиям для крупномасштабного хранения энергии.
Предоставлено Хэфэйским институтом физических наук Китайской академии наук.