В Китае в Уханьском технологическом университете разработан катод для натрий-ионных аккумуляторов с сохранением ёмкости 96,7% после 300 циклов

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Уханьского технологического университета совместно с Сианьским транспортным университетом, регулируя форму зёрен слоистого оксидного катода, уменьшила проблему растрескивания зёрен в процессе заряда и разряда натрий-ионных аккумуляторов. В исследовании, объектом которого стал P2-Na0.75Ni0.25Mn0.75O2, за счёт сокращения размера оси c были получены более тонкие призматические зёрна, что позволило более эффективно снимать деформацию кристаллической решётки и снижать концентрацию напряжений. Оптимизированный катод сохранил 96,7% ёмкости после 300 циклов при токе 5 C, что открывает путь микроструктурного проектирования для повышения срока службы натрий-ионных аккумуляторов.

Натрий-ионные аккумуляторы благодаря богатым и широко распространённым ресурсам натрия, а также совместимости с недорогими электрохимическими системами, всё чаще используются в сценариях крупномасштабного хранения энергии. Слоистые оксиды переходных металлов в качестве катодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов обладают высокой ёмкостью и хорошей масштабируемостью, однако их слабым местом является механическая стабильность. При многократном внедрении и извлечении ионов натрия кристаллическая решётка неравномерно расширяется и сжимается вдоль оси c, напряжения концентрируются внутри зёрен и вызывают трещины; вновь обнажённые поверхности при контакте с электролитом ускоряют побочные реакции и снижение ёмкости. Поэтому снятие напряжений на микроструктурном уровне становится перспективным направлением для улучшения стабильности катода.

Это исследование, возглавляемое Уханьским технологическим университетом (Wuhan University of Technology) при участии Сианьского транспортного университета (Xi'an Jiaotong University), было опубликовано в электронном виде 20 мая 2026 года в журнале eScience Energy. Исследование сосредоточено на влиянии регулировки размера оси c на эволюцию напряжений в слоистом катоде P2-типа Na0.75Ni0.25Mn0.75O2. Результаты показывают, что более тонкие зёрна позволяют уменьшить накопление деформации, улучшить рассеивание напряжений, подавить внутренние трещины и продлить циклическую стабильность аккумулятора.

Исследовательская группа изготовила образцы NaNMO с регулируемой морфологией (MT-NaNMO) и сравнительные образцы с идентичным химическим составом (C-NaNMO), чтобы отдельно изучить влияние геометрии зёрен. Анализы с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) подтвердили, что оба материала сохраняют слоистую структуру P2. MT-NaNMO образует призматические первичные зёрна толщиной около 200 нм вдоль оси c, тогда как зёрна C-NaNMO составляют около 800 нм. In-situ XRD показал, что изменения параметров решётки в процессе заряда и разряда у обоих образцов схожи, а ключевое различие заключается в способе накопления напряжений. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM) в сочетании с геометрическим фазовым анализом (GPA) показала, что MT-NaNMO обладает стабильными решёточными полосами и однородным полем деформации, тогда как в C-NaNMO наблюдаются искажения решётки и локальные деформации. Анализ методом конечных элементов (FEA) дополнительно показал, что уменьшение размера оси c обеспечивает более равномерное распределение напряжений. Результаты электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) и циклических испытаний показали, что MT-NaNMO обладает более быстрым переносом ионов натрия, меньшим сопротивлением и лучшей долгосрочной стабильностью.

Исследовательская группа считает, что эта работа предлагает подход к рассмотрению отказа аккумулятора до появления видимых повреждений. Слоистые оксиды при хранении ионов натрия совершают повторяющиеся «дыхательные» движения; более толстые зёрна приводят к непрерывному накоплению деформации вплоть до образования трещин, тогда как при сокращении направления с максимальной концентрацией напряжений материал может высвобождать напряжения раньше и равномернее. Этот принцип может служить механическим ориентиром при проектировании катодов в дополнение к регулированию состава, помогая создавать натрий-ионные аккумуляторы с длительной циклической стабильностью.

Результаты исследования имеют практическое значение для энергосистем следующего поколения. Простое уменьшение общего размера частиц может улучшить снятие напряжений, но может увеличить поверхностные побочные реакции и снизить насыпную плотность; регулировка оси c направлена на направление, наиболее связанное с растягивающими напряжениями и растрескиванием внутри зёрен. Оптимизированный катод MT-NaNMO в полной ячейке в паре с анодом из твёрдого углерода (HC) достиг плотности энергии около 218,3 Вт·ч·кг−1 и сохранил 92,6% ёмкости после 300 циклов при токе 2 C. Эта направленная микроструктурная стратегия может обеспечить более надёжные и недорогие натрий-ионные аккумуляторы для хранения возобновляемой энергии и применений в масштабе энергосетей.