Японски изследователи използваха суперкомпютърни симулации, за да разкрият физиката на твърдите въглеродни аноди в натриево-йонните батерии. Техните открития предлагат насоки за оптимизиране на твърди въглеродни аноди с цел подобряване на енергийната плътност, трайността и перспективите за комерсиализация.
Учени от Японския институт за наука в Токио (Science Tokyo) изследваха как натриевите йони образуват клъстери и се движат в твърди въглеродни аноди, идентифицирайки размерите на нанопорите и преходните области, които контролират дифузията и скоростта на работа в натриево-йонните батерии.
Твърдият анод е ключов компонент в най-съвременните натриево-йонни батерии, които привлякоха вниманието през последните години поради изобилието от натрий. Тъй като тези акумулатори имат потенциал за комерсиализация, изследователите искат да обяснят как натриевите йони образуват клъстери в порите на анода при работни температури – и защо общата им мобилност остава бавна.
„Вярвам, че ние сме първата група, която показва образуването на натриеви (Na) клъстери в нанопори от твърд въглерод. Дифузионната пречка за натриевите йони в твърдия въглерод също е анализирана и визуализирана на атомно ниво за първи път“, каза Че-ан Лин, един от авторите на изследването.
„Показахме, че натриевите йони имат наистина висока дифузионност в повечето области в твърдия въглерод и именно преходните области между големи и тесни разстояния между графеновите слоеве възпрепятстват дифузията на тези йони. Това означава, че ако можем допълнително да оптимизираме структурата на твърдия въглерод, има шанс значително да подобрим нейната скорост“, допълни той.
По думите на Лин, че енергийната плътност е най-важното препятствие, което учените трябва да преодолеят, преди комерсиализацията на натриево-йонните батерии да се ускори.
Екипът проведе изследването си, използвайки няколко високопроизводителни суперкомпютъра, включително Fugaku – една от десетте най-бързи системи в света, обясни Йошитака Татеяма, който ръководи изследователската група.
На тези компютри учените проведоха симулации на молекулярна динамика с висока точност, базирани на теория на функционалната плътност, изследвайки различни подредби на натриеви йони и графенови листове.
Симулациите разкриха, че натриевите йони в нанопорите преминават рано от двуизмерно адсорбционно състояние в триизмерно, квазиметално клъстерно състояние. На базата на горното откритие, екипът теоретично определи оптималния диаметър на нанопорите за стабилно съхранение на натрий, който е приблизително 1,5 nm.
„Въз основа на нашите резултати, бихме могли да предоставим някои насоки за проектиране на твърд въглероден анод с висок плато капацитет и добра циклична кинетика“, казват изследователите.
„Oптималният размер на порите е 1,5 nm, а по-големи или по-малки размери на порите могат да доведат до нестабилен натриев клъстер“, допълват учените. Технологията би трябвало да доведе до подобряване на капацитета на батериите.
