Изследователи от ETH Zurich и Empa за първи път успяха да произведат еднородни антимонови нанокристали. Тествани като компоненти на лабораторни батерии, те могат да съхраняват голям брой както литиеви, така и натриеви йони. Тези наноматериали работят с висока скорост и в крайна сметка могат да бъдат използвани като алтернативни анодни материали в бъдещи батерии с висока енергийна плътност.

батерии

Ловът е в ход - за нови материали, които да се използват в следващото поколение батерии, които един ден могат да заменят настоящите литиево-йонни батерии. Днес последните са нещо обичайно и осигуряват надежден източник на захранване за смартфони, лаптопи и много други преносими електрически устройства.

От една страна обаче, електрическата мобилност и стационарното съхранение на електроенергия изискват по-голям брой по-мощни батерии; и голямото търсене на литий в крайна сметка може да доведе до недостиг на суровини. Ето защо концептуално идентичните технологии, базирани на натриеви йони, ще получават все по-голямо внимание през следващите години. За разлика от литиевите батерии, изследвани повече от 20 години, много по-малко се знае за материали, които могат ефективно да съхраняват натриеви йони.

Антимонови електроди?

Екип от изследователи от ETH Цюрих и Емпа, оглавяван от Максим Коваленко, може би е дошъл стъпка по-близо до идентифицирането на алтернативни батерийни материали: те са първите, които синтезират еднородни антимонови нанокристали, чиито специални свойства ги превръщат в основни кандидати за аноден материал за както литиево-йонни, така и натриево-йонни батерии. Резултатите от изследването на учените току-що бяха публикувани в Nano Letters.

Дълго време антимонът се разглежда като обещаващ аноден материал за високоефективни литиево-йонни батерии, тъй като този металоид проявява висок капацитет на зареждане, с фактор два по-висок от този на често използвания графит. Първоначалните проучвания разкриват, че антимонът може да бъде подходящ за акумулаторни литиеви и натриеви йонни батерии, тъй като е в състояние да съхранява и двата вида йони. Натрият се разглежда като възможна евтина алтернатива на лития, тъй като той е много по-естествен и неговите запаси са по-равномерно разпределени на Земята.

За да може антимонът да постигне високата си способност за съхранение обаче, той трябва да бъде произведен в специална форма. Изследователите успяха да синтезират химически еднородни - така наречените "монодисперсни" - нанокристали на антимона, които бяха с размер между десет и двадесет нанометра.

Пълното литиране или накисване на антимон води до големи обемни промени. Чрез използване на нанокристали тези модулации на обема могат да бъдат обратими и бързи и да не водят до незабавно счупване на материала. Допълнително важно предимство на нанокристалите (или наночастиците) е, че те могат да се смесват с проводящ въглероден пълнител, за да се предотврати агрегирането на наночастиците.

Идеален кандидат за аноден материал

Електрохимичните тестове показаха на Коваленко и неговия екип, че електродите, изработени от тези нанокристали на антимона, се представят еднакво добре в натриевите и в литиево-йонните батерии. Това прави антимона особено обещаващ за натриевите батерии, тъй като най-добрите съхраняващи литий анодни материали (графит и силиций) не работят с натрий.

Силно монодисперсните нанокристали, с отклонение в размера от десет процента или по-малко, позволяват да се идентифицира оптималното съотношение размер-производителност. Нанокристалите с десет нанометра или по-малки страдат от окисляване поради прекомерната повърхност. От друга страна, антимоновите кристали с диаметър над 100 нанометра не са достатъчно стабилни поради гореспоменатото масивно разширяване и свиване на обема по време на работа на батерията. Изследователите постигнаха най-добри резултати с 20 нанометрови големи частици.

Производителността не зависи толкова от размера

Друг важен резултат от това проучване, благодарение на тези ултра-еднородни частици, е, че изследователите са идентифицирали диапазон от около 20 до 100 нанометра, в рамките на който този материал показва отлични, независими от размера характеристики, както по отношение на енергийната плътност и скоростта -способност.

Тези характеристики дори позволяват използването на полидисперсни антимонови частици за постигане на същата производителност, както при много монодисперсните частици, стига размерите им да останат в този диапазон от 20 до 100 нанометра.

"Това значително опростява задачата за намиране на икономически жизнеспособен метод на синтез", казва Коваленко. „Разработването на такъв икономически ефективен синтез е следващата стъпка за нас, заедно с нашия индустриален партньор.“ Експериментите на неговата група върху монодисперсни наночастици от други материали показват много по-стръмни връзки между размера и производителността, като бързо намаляване на производителността с увеличаване на размера на частиците, поставяйки антимона в уникална позиция сред материалите, които се легират с литий и натрий.

По-скъпа алтернатива

Означава ли това, че алтернатива на днешните литиево-йонни батерии е в нашето схващане? Коваленко клати глава. Въпреки че методът е относително ясен, производството на достатъчен брой висококачествени еднородни нанокристали от антимон все още е твърде скъпо.

„Като цяло батериите с натриеви йони и антимонови нанокристали като аноди ще представляват много обещаваща алтернатива на днешните литиево-йонни батерии само ако разходите за производството на батериите ще бъдат сравними“, казва Коваленко.

Ще мине още около десетилетие, преди натриево-йонна батерия с антимонови електроди да излезе на пазара, изчислява професорът от ETH-Цюрих. Изследванията по темата са все още в зародиш. "Въпреки това, други изследователски групи скоро ще се присъединят към усилията", убеден е химикът.