Исследователи из Токийского университета науки изучили, как скандий может увеличить срок службы натрий-ионных батарей. Результаты опубликованы в журнале Small. Натрий-ионные батареи считают одной из альтернатив литий-ионным аккумуляторам. Натрия в природе значительно больше, чем лития, поэтому такие батареи потенциально могут быть дешевле. Они также хорошо работают при низких температурах. Но у технологии есть проблема — срок службы. При зарядке и разрядке материалы внутри батареи меняют структуру, со временем это приводит к потере емкости.
Ученые решили проверить, поможет ли скандий защитить катод — электрод, через который во время работы батареи перемещаются ионы натрия. Исследователи использовали материал из натрия, никеля и марганца и попробовали два способа добавить в него скандий. В первом случае скандий добавили прямо в структуру катода. Во втором — нанесли его на поверхность в виде защитного слоя. Оба подхода дали заметный результат. После 100 циклов зарядки и разрядки исходный материал сохранял только 18,6% емкости. Катод со скандием внутри сохранил 67,8%, а катод с поверхностным покрытием — 75,4%.
Затем ученые собрали полноценные натрий-ионные элементы с твердым углеродом в качестве анода. После 300 циклов батарея со скандием внутри сохранила 71,4% первоначальной емкости. У варианта с защитным покрытием показатель достиг 91,2%. Исследователи выяснили, что скандий работает двумя разными способами. Если добавить его внутрь материала, он помогает стабилизировать структуру катода и уменьшает изменения, происходящие во время зарядки и разрядки.
При этом ни один из способов не решает проблему полностью. Покрытие хорошо защищает поверхность, но не предотвращает постепенную потерю кристаллической структуры. Легирование лучше стабилизирует материал изнутри, но не полностью останавливает падение емкости.
Поэтому ученые предлагают сочетать оба подхода: укреплять катод изнутри и одновременно защищать его поверхность. Есть и серьезное ограничение — стоимость скандия: это редкий и дорогой элемент. Исследователи рассматривают скандий как модель, которая помогает понять, как сделать натрий-ионные батареи долговечнее. Следующий шаг — найти более дешевые и доступные материалы, которые смогут дать похожий эффект. Если это удастся, такой подход может помочь увеличить срок службы натрий-ионных батарей и сделать их более подходящими для массового применения.
Также недавно был предложен новый метод проектирования быстрозаряжаемых батарей.