Инженеры настроили нанопоры твердого углерода для натрий-ионных аккумуляторов
Ученые синтезировали аноды из лигнина с порами диаметром 1,5 нанометра, ускорив перенос заряда и диффузию ионов натрия.
Исследователи из Гуандунского технологического университета установили взаимосвязь между пористой структурой анодов из твердого углерода и кинетикой накопления ионов натрия, сообщает публикация на dx.doi.org. Путем модификации лигниновых прекурсоров авторы создали серию углеродных материалов с заданными параметрами пор для оценки их влияния на скорость заряда и стабильность электродов springer.com
dx.doi.orgspringer.comОткрыть источник ↗.
В ходе экспериментов исходные вещества — щелочной лигнин, фенольная смола, лигнин-фенольная смола и лигносульфонат натрия — карбонизировали с получением пор диаметром от 1,5 до примерно 2 нм. Материалы с меньшим диаметром закрытых пор (около 1,5 нм) и их повышенной плотностью продемонстрировали сниженную энергию образования натриевых кластеров, ускоренный перенос заряда и разветвленную диффузионную сеть. Эти свойства обеспечили сохранение емкости и стабильную кинетику процесса при пониженных температурах эксплуатации.
Геометрия нанопор и формирование кластеров
Механизм накопления натрия авторы исследовали с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния и теоретических расчетов. В области плато разрядного потенциала ионы натрия осаждаются внутри закрытых пор, формируя металлические кластеры. В порах малого размера сопротивление переносу заряда снижается, а коэффициент диффузии ионов натрия оказывается выше, чем в материалах с более крупными пустотами.
В углеродных матрицах с диаметром пор от 1,7 до 2 нм образуются более крупные кластеры, требующие повышенных энергетических затрат. При повышенной плотности тока электрохимическая поляризация в крупнопористых структурах смещает потенциал образования натриевых кластеров ближе к 0 В, что стимулирует нежелательное осаждение металлического натрия springer.com
dx.doi.orgspringer.comОткрыть источник ↗.
Деградация электродов при циклировании
Анализ показал, что графеновые нанодомены твердого углерода с высокой долей углерода в sp3-гибридизации и крупными порами разрушаются при циклическом заряде высокими токами. В результате нарушается упорядоченность графеновых слоев, уменьшается объем доступных пор и ускоряется деградация емкости в области потенциального плато.
Дезорганизация слоев затрудняет межслойную диффузию ионов натрия. Рост диффузионного сопротивления дополнительно снижает потенциал формирования кластеров, повышая вероятность образования дендритов натрия, способных вызвать короткое замыкание.
