Študija strukture in dinamike natrija v negrafitiziranem ogljiku z operando NMR
Natrij-ionski akumulatorji so zaradi manjšega vpliva na okolje, večje varnosti in konkurenčne gostote energije privlačna alternativa litij-ionskim. Ključni dejavnik pri izboljšanju teh akumulatorjev je izbira anodnega materiala, ki pomembno vpliva na zmogljivost, stabilnost in nastanek fazne meje trdno-elektrolit (SEI). Trdi oziroma negrafitizirani ogljiki so postali glavni kandidati za anode natrij-ionskih akumulatorjev.
Ta študija raziskuje mehanizme shranjevanja natrija v negativnih elektrodah iz negrafitiziranega ogljika z uporabo naprednih karakterizacijskih tehnik. Poleg uporabe operando, in situ in ex situ jedrske magnetne resonančne (NMR) spektroskopije v trdnem so bile uporabljene tudi vrstična elektronska mikroskopija z energijsko-disperzijsko rentgensko spektroskopijo (SEM-EDX), rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS) in elektrokemijske meritve. Te metode so omogočile vpogled v natrijevo strukturo, dinamiko in sestavo SEI.
Ključne ugotovitve vključujejo vpliv temperature karbonizacije na shranjevanje natrija. Pri višjih temperaturah večje pore olajšajo nastanek kvazi-kovinskih natrijevih skupkov, kar izboljša zmogljivost shranjevanja natrija. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da je SEI sestavljen iz natrijevega fluorida (NaF), ki se tvori na površini negrafitiziranega ogljika, znotraj plasti pa se tvori natrijev karbonat (Na₂CO₃). Predlagan je bil celovit mehanizem za obnašanje Na+ ionov v negrafitiziranem ogljiku: med začetnim sodiiranjem se Na+ ioni adsorbirajo na površini negrafitiziranega ogljika in vstavijo med plasti grafena, nato zapolnijo stene por, na koncu pa, če so pore dovolj velike, nastanejo kvazi-kovinski Na skupki. Med desodiiranjem se ta proces obrne. Podpotencialna sodiacija vodi do kovinskega nanašanja Na, pri čemer se pojavijo različni NMR kemijski premiki, ki odražajo različne lastnosti nanešenega Na in dendritov. Ta spoznanja omogočajo optimizacijo anod natrij-ionskih akumulatorjev za večjo učinkovitost in daljšo življenjsko dobo.
Avtorji te raziskave so Matej Gabrijelčič, Blaž Tratnik, Gregor Kapun, Elena Tchernychova, Nataša Zabukovec Logar, Andraž Krajnc, Robert Dominko in Alen Vižintin s Kemijskega inštituta.
Delo je objavljeno v reviji Journal of Materials Chemistry A.
Povezava: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d4ta07135b
Grafika na naslovnici: V tej študiji (i) poglobljeno preučujemo nastanek in sestavo SEI, (ii) razumevamo in razlikujemo procese shranjevanja natrija in (iii) razlikujemo med nanosom Na in rastjo dendritov.
Kontakta za dodatne informacije: matej.gabrijelcic(at)ki.si in alen.vizintin(at)ki.si
Ta članek je posvečen prof. dr. Gregorju Maliju v spomin.