​Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН изучили твердофазный синтез перспективных ванадийсодержащих катодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов. Результаты работы опубликованы в Solid State Ionics.  

Аккумуляторы, которые используются практически во всех современных портативных устройствах, — литий-ионные. Однако литий дорожает, его запасы исчерпываются, и ученые ищут то, что могло бы его заменить. Так, большие надежды возлагаются на близкую по принципу работы натрий-ионную технологию. Натрий гораздо более широко распространен в природе: он есть как в водах Мирового океана, так и в земной коре, а его добыча практически не зависит ни от конкретных географических точек, ни от политических событий. На сегодняшний день натрий-ионные аккумуляторы оцениваются как на 13 % более дешевые, чем литий-ионные, и со временем эта разница будет только расти.
 
На сегодняшний день наиболее перспективными материалами для создания химических источников тока нового поколения считаются фторид-фосфаты ванадия-натрия. Они обладают высоким рабочим напряжением, структурной устойчивостью при циклировании и возможностью реализации многоэлектронного процесса окисления ионов ванадия, что повышает удельную емкость. «Первые публикации, посвященные соединению Na3V2(PO4)2F3 появились в 2006 году, однако его активное изучение началось сравнительно недавно — с 2014 года. Вскоре выяснилось, что существует целое семейство таких материалов, различающихся составом, структурой, валентным состоянием ванадия и электрохимическими свойствами, что создало большую неразбериху в литературе», — рассказывает младший научный сотрудник группы материалов для литий-ионных аккумуляторов ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Дарья Олеговна Семыкина.
 
В Европе уже появились единичные прототипы аккумуляторов на основе фторид-фосфатов ванадия-натрия. А запустить масштабное производство таких батареек мешают трудности, связанные с условиями синтеза этих материалов. В основном их получают гидротермальным методом, когда реакция протекает в воде при высоком давлении и относительно невысокой температуре. Однако при этом остаются жидкие отходы, которые необходимо утилизировать. Но главная проблема заключается в том, что сложно контролировать степень окисления ванадия в конечном продукте, а следовательно его электрохимические свойства: рабочее напряжение, удельную энергию, емкость и другие. 
 
Ученые из группы материалов для литий-ионных аккумуляторов ИХТТМ СО РАН используют для получения фторид-фосфатов ванадия-натрия твердофазный метод карботермического восстановления ванадия с предварительной механической активацией смеси исходных реагентов. Преимущества этого метода — простота реализации, отсутствие жидких отходов, контролируемая степень окисления ванадия в конечном продукте. Более того, кратковременная механическая активация позволяет сократить продолжительность высокотемпературной стадии и сделать синтез менее затратным. 
 
Сейчас в науке идет активное изучение различных членов семейства фторид-фосфата ванадия-натрия. Например, обсуждается, возможно ли получение соединения состава NaVPO4F в ходе классического твердофазного синтеза. Ученые ИХТТМ СО РАН доказали, что нет: «Было опубликовано несколько работ, посвященных твердофазному синтезу этого соединения. Однако внимательное их изучение указывает на неверную интерпретацию структурных данных: на самом деле авторами были получены другие соединения, такие как Na3V2(PO4)2F3 и Na3V2(PO4)3. Лишь в 2017 году французским ученым действительно удалось получить соединение состава NaVPO4F с использованием гидротермального метода синтеза», — отмечает Дарья Семыкина. 
 
Исследователям группы материалов для литий-ионных аккумуляторов ИХТТМ СО РАН под руководством кандидата химических наук Нины Васильевны Косовой удалось подобрать условия твердофазного синтеза NaVPO4F. Для этого был использован особый метод закалки: активированную смесь реагентов нагрели и быстро охладили — это позволило зафиксировать соединение, которое образуется при высокой температуре, пока оно не успело разложиться.
 
«Этот метод позволил впервые в ходе твердофазного взаимодействия получить NaVPO4F и сделать вывод, что оно является метастабильным (то есть возможно только при определенных условиях. — Прим. ред.). Кроме того, было показано, что NaVPO4F не обладает заметной электрохимической активностью и не может быть использован в качестве катодного материала для натрий-ионных аккумуляторов».
 
Диана Хомякова

Источники

Сибирские ученые исследуют материалы для натрий-ионных аккумуляторов
Наука в Сибири (sbras.info), 12/12/2019
Ионы натрия
Энерговектор, 09/01/2020
Ионы натрия
Энерговектор (energovector.com), 12/03/2020
Ионы натрия: вот о чем мы вспомним, когда закончится литий
GisProfi (gisprofi.com), 13/03/2020

Похожие новости

  • 06/02/2020

    Новосибирские ученые опубликовали единый обзор расчетных методов исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях

    ​Исследователи лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН составили единый обзор существующих расчетных методов для исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях.
    475
  • 13/09/2019

    Найден способ усилить безопасность при перевозке радиоактивных отходов

    ​Современные технологии требуют новых материалов, все более усовершенствованных, мультифункциональных, с теми или иными ярко выраженными свойствами. Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) совместно с Институтом ядерной физики им.
    648
  • 29/03/2018

    Новосибирские ученые разработали уникальный метод изучения химических реакций в кристаллах

    ​В журнале Royal Society of Chemistry, Chemical Science вышла статья сотрудников и преподавателей кафедры химии твердого тела НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, посвященная использованию количественных прецизионных измерений изгиба кристалла в ходе фотопревращения при различных температурах для определения кинетических параметров превращения: энергии активации, константы скорости, коэффициента обратной связи и других.
    1561
  • 01/06/2020

    Российские ученые создали уникальный материал для аэрокосмической промышленности

    ​Керамический материал, который обладает самой высокой температурой плавления среди всех известных соединений, удалось разработать группе ученых НИТУ МИСиС.  В ходе реализации проекта "Синтез и искровое плазменное спекание сверхвысокотемпературной керамики для аэрокосмической промышленности" удалось получить соединение HfC0.
    460
  • 14/03/2019

    Как реализовать возможности российского рынка многокомпонентных материалов

    ​Недавняя новость о том, что из-за международных санкций российские авиастроители не смогут получать из США компоненты, необходимые для выпуска отечественного лайнера МС-21, вызвала бурное обсуждение, так или иначе связанное с проблемой преодоления зависимости от импорта.
    980
  • 27/02/2020

    Новосибирские ученые обнаружили первый случай сохранения пластичности кристаллов органических веществ при экстремально низких температурах

    ​Ученые лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН экспериментально предсказали и показали пластичность кристаллов кислого малеата L-лейциния, сохранявшуюся при температуре –196 C°.
    676
  • 26/04/2017

    Эксперимент сибирских ученых по ремонту дорог с помощью зол повторят летом

    ​Сибирские ученые остались недовольны результатами первого эксперимента по ямочному ремонту с использованием высокопрочного золобетона (материала на основе отходов ТЭЦ). Укладка материала проходила поздней осенью с нарушением технологии, поэтому покрытие изначально не идеально сцепилось и показало меньшую износостойкость, чем ожидалось, хотя и значительно превзошло по показателям обычный асфальт, сообщил ТАСС директор Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН Николай Ляхов.
    1351
  • 22/12/2015

    Ученым удалось сделать аккумуляторы более емкими

    ​Ученые давно работали над тем, каким образом сделать литий-ионные аккумуляторы, чтобы они стали более емкими. Данный прецедент удалось решить исследователям из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Сибирского отделения российской Академии наук).
    2063
  • 08/06/2017

    Ученые СО РАН и Японии вырастили нанотрубки на поверхности искусственных алмазов без графена

    ​Ученые из институтов Сибирского отделения РАН и Университета Тохоку (Япония) создали технологию выращивания углеродных нанотрубок на поверхности искусственных алмазов без добавления графена. Как рассказал ведущий научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН Борис Бохонов, метод отличается тем, что алмазы не требуют предварительной обработки, и может использоваться для элементов микросхем и устройств памяти.
    16743
  • 21/10/2019

    Как делают науку в Сибири

    Чем живет сибирская наука? Обычно мы слышим об ученых либо в связи с прорывными и особо интересными открытиями. Либо благодаря созданию новых научных объектов, таких как ЦКП СКИФ. Либо, как это ни печально, из-за каких-либо конфликтов.
    1246