Исследователи из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН и Еврейского университета в Иерусалиме создали новый композитный материал для анодов натрий-ионных аккумуляторов. Он основан на комбинации наночастиц сульфида германия и максена (MXene), двумерного карбида титана. Это решение открывает путь к созданию батарей, способных очень быстро заряжаться и разряжаться, сохраняя при этом высокую емкость на протяжении тысяч циклов работы.
Недостатки современных аккумуляторов во многом связаны с ограничениями анодных материалов. Эти материалы условно делят на три типа. Первый и наиболее распространенный – интеркаляционные материалы, такие как графит. Они обеспечивают стабильность и долговечность, но обладают невысокой удельной емкостью. Второй тип — конверсионные материалы, например, оксиды или сульфиды переходных металлов. Они позволяют накапливать больше энергии, но при работе их структура полностью перестраивается, что вызывает значительные изменения объема и ускоряет разрушение электрода. Третий тип – сплавные материалы, такие как кремний или олово, которые образуют сплавы с ионами щелочных металлов. Они обеспечивают рекордную емкость, однако сопровождаются колоссальным (до 300%) увеличением объема и, как следствие, быстрой потерей работоспособности. Для конверсионных и сплавных анодов также характерен выраженный гистерезис напряжения – разница между зарядом и разрядом, из-за которой до четверти энергии теряется впустую, рассеиваясь в виде тепла.
Исследователи предложили решение на наноуровне. В качестве проводящей и механически прочной основы они использовали максен, на поверхность которого нанесли ультрамелкие частицы сульфида германия. Такой дизайн предотвращает слипание и агрегацию активных частиц во время циклирования. Максен служит проводящей матрицей и амортизирующей структурой, принимая на себя механические напряжения, а сульфид германия обеспечивает высокую емкость за счет комбинации конверсионного и сплавного механизмов работы.
Испытания показали впечатляющие результаты. Новый анодный материал был исключительно стабилен даже при экстремально высоких скоростях заряда. При увеличении плотности тока в 30 раз потеря емкости составила менее 15%. При токах выше 1 А/г композит GeSₓ/MXene значительно превзошел по характеристикам аналоги на основе оксида графена, что подтверждает эффективность максена в качестве проводящей матрицы.
Как отметил один из авторов исследования, старший научный сотрудник ИОНХ РАН Алексей Михайлов, ключевым фактором успеха стал метод синтеза с использованием поверхностно-активных веществ, позволивший контролировать размер частиц и предотвратить их агрегацию. Сочетание высокой электропроводности максена и емкости сульфида германия дало выраженный синергетический эффект, сделав новый композит перспективным для аккумуляторов следующего поколения.
Таким образом работа российских и израильских ученых стала важным шагом в развитии альтернативных технологий накопления энергии, которые в будущем могут составить конкуренцию литий-ионным аккумуляторам.
