office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
Развитие постлитиевых технологий тесно связано с натрий-ионными аккумуляторами. Хотя натрий уступает литию по некоторым физическим параметрам, его доступность, низкая стоимость и возможность заменить дорогую медную фольгу на алюминиевую делают эту технологию перспективной.
Ключевая задача при создании таких батарей связана с оптимизацией катода, представляющего собой композит из активного материала, проводящей добавки и связующего. Перспективны слоистые оксиды, обладающие высокой ёмкостью, а структурную устойчивость конкретного состава обеспечивает частичное замещение марганца кобальтом. Исследование влияния различных углеродных добавок на характеристики катода на основе Na0.68Mn0.45Co0.55O2 P2-типа, проведённое коллективом учёных из ФИЦ ХФ и МХ РАН и Университета «Сириус», опубликовано в журнале Journal of Materials Science (IF = 4,4).
Авторы установили, что исследуемый активный материал является смешанным проводником: обладая высокой ионной проводимостью, он имеет крайне низкую электронную проводимость, что делает введение углеродной добавки необходимым условием работы электрода.
При сравнении трёх добавок — ацетиленовой сажи, сажи Vulcan XC-72 и углеродных нанотрубок (УНТ) — выявились закономерные различия. Вытянутые УНТ формируют сквозную проводящую сеть уже при минимальном содержании, около 1 об.%, сажа Vulcan требует около 2 об.%, а сферические частицы ацетиленовой сажи — около 4 об.%.
Однако электрохимические испытания полуэлементов показали иную динамику. Электроды с ацетиленовой сажей продемонстрировали более высокую разрядную ёмкость и стабильность при циклировании. Образцы с УНТ и Vulcan, напротив, теряли ёмкость быстрее.
Это объясняется комплексом взаимодополняющих факторов. Более высокая удельная поверхность и содержание примесей в УНТ и Vulcan увеличивают площадь контакта с электролитом, способствуя его разложению и формированию нестабильного межфазного слоя. Наряду с этим геометрия частиц определяет равномерность проводящей сети: наноразмерные частицы ацетиленовой сажи обеспечивают межчастичный контакт по всей толщине электрода, тогда как длинные УНТ склонны к агломерации и обволакиванию связующим, что приводит к неравномерному распределению углерода и, как следствие, к потере части электрохимической активности материала. Это подтверждается данными дифференциального ёмкостного анализа.
Таким образом, исследование показывает, что минимальный порог перколяции сам по себе не определяет итоговые электрохимические характеристики аккумулятора. Хотя морфология УНТ позволяет снизить объёмное содержание проводящей добавки, их практическое применение требует дополнительного решения проблем агломерации и оптимизации технологии формирования электрода. В условиях данного эксперимента ацетиленовая сажа обеспечила более стабильные электрохимические показатели, однако этот результат справедлив именно для изученной системы и выбранного способа изготовления электрода. Работа предоставляет фактологическую базу для выбора проводящих добавок, подчёркивая, что оптимизация состава электрода является многопараметрической задачей и не сводится исключительно к минимизации содержания углерода.
В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: А. Лочина, Р. Каюмов, А. Володин, Г. Лочин и Л. Шмыглева.
Anna A. Lochina, Ruslan R. Kayumov, Elena N. Subcheva, Alexei A. Volodin, Georgii A. Lochin, and Lyubov V. Shmygleva. // Carbon additives for P2-layered sodium-manganese-cobalt oxide cathode for Na-ion batteries: percolation characteristics and electrochemical performance // Journal of Materials Science (2026), IF = 4.4, Q2.