Исследовались натрий-ионно-оксидные катоды, изготовленные из частиц переходного металлового ядра-оболочки — богатого никелем ядра, окруженного оболочкой, богатой кобальтом и марганцем.
«Марганцевая поверхность придает частице структурную стабильность во время циклического заряда-разряда», — сообщают в лаборатории. «Никелевая сердцевина обеспечивает высокую емкость для хранения энергии».
Емкость накопителя энергии постепенно снижалась во время циклических процессов, когда трещины начинали формироваться в частицах катода из-за деформации, возникающей между оболочкой и ядром в частицах.
Дальнейшие исследования показали, что эти трещины образуются глубоко внутри частиц, а не на их поверхности, как ожидалось. Это также показало способ предотвращения образования трещин.
Эти два последних утверждения свидетельствуют о значительных исследовательских усилиях, необходимых для совершения открытия, которое, среди прочего оборудования, потребовало использования двух самых мощных синхротронов в мире и суперкомпьютера, входящего в топ-50 мира: Advanced Photon Source от Argonne, National Synchrotron Light Source II от Brookhaven National Laboratory и компьютера Polaris от Argonne.
«Предотвращение образования трещин при синтезе катода дает значительные дивиденды, когда катод позже заряжается и разряжается», — отметил химик лаборатории Argonne Гуй-Лян Сюй.
Обманчиво простые, устойчивые к трещинам частицы катода, которые не теряли накопительной емкости в течение 400 циклов работы, стали результатом изменения термической обработки, используемой для их изготовления.
Частицы катода «ядро-оболочка» изготавливаются путем нагрева прекурсоров гидроксида при температуре до 600°C.
При нагреве со скоростью 5°C/мин трещины начинали образовываться на границе ядра и оболочки при температуре лишь 250°C, а при чрезвычайно медленном нагреве — 1°C/мин — образовывались более прочные частицы.
«Перспективы выглядят очень обнадеживающе для будущих натрий-ионных аккумуляторов, которые будут не только дешевле и долговечнее, но и обладать энергетической плотностью, сопоставимой с литий-железо-фосфатными катодами, которые сейчас используются во многих литий-ионных батареях. Это приведет к электромобилям с хорошим запасом хода», — отметил руководитель команды по разработке батарей Argonne Халил Амин.
Будущие работы в лаборатории включат попытку снизить стоимость и повысить устойчивость за счет удаления никеля из катода.