Практически вся портативная электроника и бытовая техника сегодня работает на литий-ионных аккумуляторах. Такие электрохимические элементы быстро заряжаются, обладают высокой энергоемкостью и долго служат. Но литий – это дорогой и редкий металл, а его производство неэкологично. Альтернативный путь – создание натрий-ионных аккумуляторов. Специалисты Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) синтезируют функциональные материалы для создания аккумуляторов нового поколения и совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) изучают их свойства с помощью синхротронного излучения (СИ) в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ). Сейчас научная группа исследует характеристики гибридного материала из дисульфида молибдена и графена, который перспективен в качестве анодной части натрий-ионных аккумуляторов. Исследования показали, что синтезированный материал обладает хорошей стабильностью и достаточной энергоемкостью, то есть основные параметры качества батареек остаются на высоком уровне. Работа поддержана грантом РНФexternal link, opens in a new tab № 23-73-00048.
«Натрий – довольно дешев, по сравнению с литием, и он более распространен, – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Анастасия Федоренко. – Поэтому во всем мире сегодня внимание переключено на создание материалов, которые бы хорошо работали в натрий-ионных аккумуляторах – отвечали за повышение стабильности их работы и хорошую энергетическую емкость. В нашей лаборатории мы разрабатываем наноструктурированные функциональные материалы с интересующими нас свойствами, в том числе для электрохимических применений. Данная работа поддержана грантом РНФ по мероприятию “Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня”».
Задача исследователей состоит в том, чтобы путем «точечных» замен или «удаления» атомов химических элементов в синтезируемом материале, задавать ему такие характеристики, которые позволят ионам натрия эффективно с ним взаимодействовать.
«Мы можем убрать атом серы или молибдена из материала, и у нас появятся пустые места, так называемые “вакансии”, – объясняет Анастасия Федоренко. – В них мы помещаем атомы других химических элементов, например, азота, никеля, селена или кобальта. Любые наши действия будут изменять реакционную активность и электропроводность материала, влияя таким образом на его функциональные характеристики. Путем таких модификаций и благодаря последующей проверке того, как в реальном времени ионы натрия взаимодействуют с нашим веществом, мы можем скорректировать условия синтеза материала и получить необходимые характеристики для будущего аккумулятора: емкость, стабильность, длительность работы, в том числе при высоких плотностях тока».
По словам Анастасии Федоренко, уже на данном этапе исследований ученым удалось показать, что синтезируемый материал обладает хорошей стабильностью в течение более 1200 циклов заряда и разряда аккумулятора и достаточной энергоемкостью (440 мАч/г при плотности тока 0.1 A/г). Теоретическая ёмкость аморфных углеродных материалов, обычно используемых в качестве анода натрий-ионных аккумуляторов, не превышает 300 мАч/г и такие материалы теряют порядка 20% своей емкости после 1000 циклов работы аккумулятора.
На «справочных» кружках А. Николенко изображены графики от измерений образцов коллеги из ИНХ СО РАН. По ним видно, на каких углах монохроматора искать характерные пики химических элементов, которые входят в образцыА. НиколенкоХарактеризуют материал при помощи рентгеновской спектроскопии на экспериментальной станции «Космос» ЦКП СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН. Пользовательская станция расположена на единственном в России высоковакуумном канале мягкого рентгеновского диапазона. «Космос» использует синхротронное излучение из коллайдера ВЭПП-4 ИЯФ СО РАН, который генерирует мощный поток фотонов в широком спектральном диапазоне – от видимого излучения до жесткого рентгеновского. Экспериментаторы называют такой пучок «белым». Излучение из накопителя проходит по высоковакуумному транспортному каналу и попадает в монохроматор, который выделяет из «белого» пучка СИ фотоны с определенной энергией. Получившийся монохроматический пучок проходит сквозь исследуемый образец и регистрируется детектором.
«При взаимодействии с веществом рентгеновское излучение частично поглощается. Поглощение происходит в основном за счет фотоэффекта, то есть выбивания из атома электрона, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Николенко. – Особенность рентгеновского излучения состоит в том, что фотоэффект происходит на “внутренних” электронах, то есть на тех, которые имеют сильную связь с ядром, и для их выбивания требуется сравнительно высокая энергия фотонов. По традиции энергетические уровни, на которых находятся электроны, называют буквами латинского алфавита: самый нижний (с максимальной энергией) это K-уровень, потом идут уровни L, M, N и так далее. Чем тяжелее атом химического элемента, тем больше энергия его K, и всех последующих уровней. Причем этот набор строго индивидуален для каждого химического элемента и может служить доказательством присутствия этого элемента в образце, на манер человеческих отпечатков пальцев. При плавном изменении энергии падающих на вещество фотонов, прохождение очередного энергетического уровня можно определить по скачкообразному росту поглощения. Эти скачки называются краями поглощения соответствующих элементов. Если исследовать форму этих скачков, можно судить не только о наличии данного элемента, но и о том, в каких химических связях он участвует».
По словам Антона Николенко, именно в мягкой рентгеновской области лежат K-края поглощения легких химических элементов, которые используются для создания новых функциональных и конструкционных материалов, таких, как алюминий, кремний, хлор, фосфор, сера. Также есть возможность изучать L-края ряда элементов, находящихся в таблице Менделеева рядом с молибденом.
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Николенко показывает, как выглядит внутри станция «Космос»Татьяна Морозова«Есть, например, такое важное, с практической точки зрения, соединение – сульфид молибдена, – поясняет Антон Николенко. – Оно может быть использовано для создания более эффективных катализаторов, сенсоров, или, как в нашем случае, в качестве наполнителя для аккумуляторов нового типа, и много чего еще. На станции “Космос” мы имеем замечательную возможность одновременно исследовать в этом веществе и K-край поглощения серы, и L-край поглощения молибдена. С помощью СИ мы исследуем их атомную структуру этого вещества и получаем информацию, как именно взаимодействуют между собой атомы в исследуемом образце. Более того, возможности экспериментальной станции “Космос” позволяют одновременно проводить и флуоресцентный анализ в мягком рентгене, что дает еще более подробную картину внутренней структуры образца».
Совсем недавно на станцию «Космос» был интегрирован рентгеновский эмиссионный спектрометр, разработанный в ИНХ СО РАН. Этот уникальный по своим характеристикам прибор расширит возможности и повысит качество исследований ученых.
«Использование СИ в качестве источника рентгеновского излучения позволит применить современные методы диагностики наноматериалов и перейти к проведению in situ экспериментов. Суть которых заключается в исследовании процессов циклирования натрий-ионных аккумуляторов с высокой чувствительность, позволяющей зафиксировать даже небольшие изменения структуры вещества», – добавляет Анастасия Федоренко.