Преодоление ограничений твердофазного превращения: новая стратегия повышает долговечность комнатно-температурных натрий-серных батарей

Команда профессора Ван Пэнфэя из электротехнического института Сианьского транспортного университета недавно опубликовала результаты исследования в журнале «Немецкий журнал прикладной химии», в котором с помощью стратегии ограниченного термического разложения был получен носитель Fe-N-C с диспергированными атомами железа, что позволило успешно преобразовать путь реакции серы в электролите на основе карбоната из традиционного «твёрдое-твёрдое» в более эффективный многоуровневый путь «твёрдое-жидкое-твёрдое». Эта инновационная стратегия в корне решает проблему кинетического барьера, который долгое время существовал в натрий-серных аккумуляторах при комнатной температуре, и предлагает совершенно новый технологический подход для промышленного применения таких аккумуляторов.

Натрий-серные аккумуляторы при комнатной температуре привлекают внимание благодаря обильному содержанию натрия и серы в земной коре и теоретической плотности энергии, достигающей 1274 Вт·ч/кг, однако реакция «твёрдое-твёрдое» серы в электролите на основе карбоната приводит к большому сопротивлению диффузии ионов натрия в твёрдой фазе и высокому энергетическому барьеру разрыва связи сера-сера, что вызывает низкую эффективность использования серы, сильную поляризацию и быстрое снижение ёмкости. Существующие стратегии, такие как дизайн пористых углеродных материалов, легирование чужеродными атомами и добавление добавок в электролит, могут только оптимизировать кинетику реакции, но не могут изменить присущий ей путь. Исследовательская группа подтвердила с помощью характеризации, что одиночные атомы железа за счёт сильного орбитального взаимодействия 3d-орбиталей железа и 3p-орбиталей серы значительно снижают энергетический барьер, одновременно обладая высокой способностью к адсорбции полисульфидов и отличными антисульфатирующими свойствами, что позволило успешно реконструировать путь реакции.

Электрохимические тесты показали, что электрод Fe-N-C/S при плотности тока 2 А/г после 2000 циклов демонстрирует скорость деградации всего 0,024 % за цикл, при этом значительно повышается эффективность использования серы. Эта система, за счёт контролируемого образования жидкого промежуточного продукта, эффективно подавляет побочные реакции и предотвращает ухудшение состояния интерфейса и потерю ёмкости, демонстрируя выдающуюся стабильность циклов. Этот результат открывает новые перспективы в разработке материалов для долговечных натрий-серных аккумуляторов при комнатной температуре и может ускорить внедрение технологий крупномасштабного хранения энергии с низкими затратами и высокой безопасностью.