Мы все знаем о литий-ионных аккумуляторах, от аккумуляторов в наших автомобилях до наших смартфонов; мы доверяем им за энергию. Они широко используются, несмотря на опасность пожара и взрыва, которые они несут. Более безопасной альтернативой являются твердотельные натриево-ионные аккумуляторы, но до сих пор они не смогли конкурировать с литий-ионными аккумуляторами по производительности.
Тем не менее, похоже, что твердотельные натриево-ионные батареи собираются получить преимущество над литий-ионными батареями благодаря исследованиям группы ученых из Университета Хьюстона. Ведущий исследователь Ян Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, написал в журнале Joule статью, в которой описывается разработка органического катода, который может значительно улучшить стабильность и плотность энергии ионных батарей в твердое состояние натрия.
Для тех из вас, кто не знает, традиционная литий-ионная батарея содержит жидкие электролиты, способные удерживать большое количество энергии. Твердотельные натриево-ионные батареи, с другой стороны, имеют твердотельный электролитический сердечник, который не может производить энергию наравне с литий-ионными. Однако недавние исследования показали твердый электролит, который является таким же проводящим, как жидкие электролиты, используемые в литий-ионных батареях.
Последней задачей, которую пришлось преодолеть команде ученых для создания высокоэффективной твердотельной ионно-натриевой батареи, было нахождение твердых интерфейсов. Исследование имеет два основных вывода, которые решают эту проблему. Первая находка гласит, что «резистивная поверхность раздела между электролитом и катодом, которая обычно образуется в течение цикла, может быть обращена вспять, продлевая срок службы цикла». В то время как вторая находка устанавливает, что «гибкость органического катода позволяла ему поддерживать тесный контакт на границе с твердым электролитом, даже когда катод расширялся и сжимался во время цикла».
Органический катод известен как ПТО для пирена-4,5,9,10-тетраона. Он предлагает множество преимуществ по сравнению с неорганическими катодами. Яо сказал: «Мы впервые обнаружили, что резистивный интерфейс, который образуется между катодом и электролитом, можно изменить. Это может способствовать стабильности и улучшению жизненного цикла. Яо также является главным исследователем в Центре сверхпроводимости Техаса в Калифорнии. Ее исследования направлены на экологически чистые и экологически чистые органические материалы для производства и хранения энергии. Ключевым отличием новой батареи является обратимость интерфейса. Это позволяет твердотельной батарее достичь более высокой плотности энергии без ущерба для ее жизненного цикла.
Поддержание достаточно хорошего контакта между жестким катодом при его расширении и сжатии во время цикла батареи и электролита всегда создавало проблему. Тем не менее, новые исследования показывают, что органический катод может решить эту проблему. Органический катод был стабильным в течение минимум 200 циклов. Фанг Хао, аспирант и член команды Яо, сказал: «Если у вас будет надежный контакт между электродом и электролитом, у вас будет отличная возможность создать высокопроизводительную твердотельную батарею».
