Исследовательская группа из Китая разработала инновационный анод, решающий хроническую проблему натрий-ионных аккумуляторов, которые ранее заставляли выбирать между скоростью зарядки и сроком эксплуатации. Новая архитектура базируется на использовании нанолистов диоксида титана размером около 10 нм, собранных в полые двойные сферы. Каждый такой элемент покрыт графеноподобным углеродным слоем толщиной 0,4 нм. Это покрытие существенно повышает проводимость материала с 1,86 × 10⁻⁸ См/см до 3,55 × 10⁻⁴ См/см, что является критически важным для стабильности структуры во время активной работы.
Результаты испытаний продемонстрировали высокую эффективность разработки при экстремальных нагрузках. Во время зарядки со скоростью 10C, длящейся всего шесть минут, анод выдержал 10 000 циклов, сохраняя емкость 131 мАч/г. Даже при скорости 100C, которая обеспечивает полный заряд примерно за 30 секунд, аккумулятор показал емкость 121 мАч/г. Для сравнения, немодифицированные нанолисты разрушались уже после 400 циклов из-за неспособности выдержать механический стресс, вызванный быстрым движением ионов натрия и расширением материала в процессе эксплуатации.
Показатели массовой нагрузки электродов достигли 10,5 мг/см², обеспечивая 2,13 мАч/см² при медленных скоростях и 0,567 мАч/см² при высоком токе. В отличие от коммерческого твердого углерода, который быстро деградирует при токах выше 1 А/г, новый анод сохраняет стабильные характеристики. Испытания полной ячейки с катодом на основе фосфата натрия-ванадия подтвердили работоспособность системы, которая стабильно функционировала в течение 170 циклов при токе 2 А/г, что является существенным шагом для будущей коммерциализации технологии в электромобилях.
Основная проблема натрий-ионных батарей заключается в физическом размере ионов натрия, которые больше ионов лития и медленнее движутся внутри твердых структур. Исследователи вынуждены создавать наноструктуры с огромной площадью поверхности для накопления ионов, однако это приводит к побочным реакциям с электролитом и разрушению внутренней структуры. Площадь поверхности разработанных нанолистов составляет 261 м²/г по сравнению с 76 м²/г у обычных наночастиц, но защитная оболочка успешно ограничивает негативное влияние электролита на стабильность материала.
Анализ показал, что начальная эффективность модифицированного анода составляет 80,1%, тогда как у обычных листов этот показатель падает до 55,6% уже на первом цикле из-за потери значительной части натрия. Графеновая оболочка не только обеспечивает быстрое прохождение электронов, но и действует как механический барьер, удерживающий листы вместе. Это предотвращает образование нестабильной пленки и позволяет достичь высокой скорости работы без критической потери долговечности, что делает натрий-ионные технологии конкурентоспособными относительно LFP-аккумуляторов.
