Alman Araşdırma Mərkəzlərinin Helmholtz Assosiasiyası tərəfindən

Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriŞəkil keçid metallarından (mavi) və kükürddən (sarı) ibarət laylı strukturu təsvir edir. Laylar arasındakı boşluq ko-interkalasiya adlanan proses vasitəsilə natrium ionları (bənövşəyi) və üzvi həlledici molekullar (qırmızı, qəhvəyi) tərəfindən tutula bilər. Kredit: Y. Sun et al., Nature Materials 2025

Li-ion və Na-ion batareyaları, ionların saxlandığı və kimyəvi cəhətdən fərqli iki elektrod arasında dəyişdirildiyi interkalasiya adlı bir proses vasitəsilə işləyir. Bunun əksinə olaraq, həm ionların, həm də həlledici molekulların eyni vaxtda saxlandığı bir proses olan co-interkalasiya, batareyanın tez sıradan çıxmasına səbəb olma meylinə görə ənənəvi olaraq arzuolunmaz hesab edilmişdir.

Bu ənənəvi baxışa qarşı, Philipp Adelhelm-in rəhbərlik etdiyi beynəlxalq tədqiqat qrupu indi Na-ion batareyalarındakı katod materialları üçün birgə interkalasiyanın geri qaytarıla bilən və sürətli bir proses ola biləcəyini nümayiş etdirdi. Katod materiallarında ionların və həlledicilərin birgə saxlanması yanaşması yüksək səmərəlilik və sürətli doldurma imkanlarına malik batareyaların dizaynı üçün yeni tutacaq təmin edir. Nəticələr Nature Materials jurnalında dərc olunub .

Batareyaların performansı bir çox amillərdən asılıdır. Xüsusilə, bu, ionların elektrod materiallarında necə saxlanmasından və onların yenidən buraxılıb-açılmamasından asılıdır. Bunun səbəbi, yük daşıyıcılarının (ionların) nisbətən böyük olması və elektroda köçdükləri zaman həcmdə arzuolunmaz dəyişikliyə səbəb ola bilməsidir. “Nəfəs alma” kimi tanınan bu təsir batareyanın xidmət müddətini pisləşdirir.

Natrium ionları üzvi elektrolitdən molekullarla birlikdə miqrasiya etdikdə həcm dəyişikliyi xüsusilə nəzərə çarpır . Bu sözdə birgə interkalasiya ümumiyyətlə batareyanın ömrünə zərərli hesab edilmişdir. Bununla belə, Adelhelmin rəhbərlik etdiyi beynəlxalq tədqiqat qrupu indi ionların və həlledici molekulların birgə interkalasiyasına imkan verən, daha sürətli şarj və boşalma proseslərinə imkan verən katod materiallarını araşdırıb.

Anodlarda birgə interkalasiya

Əvvəlki tədqiqatlarda komanda qrafit anodlarındakı kointerkalasiyanı araşdırdı və nümayiş etdirdi ki, natrium qlim molekulları ilə birləşdikdə bir çox dövr ərzində elektrolitə tez və geri dönə bilər. Buna baxmayaraq, katod materialları üçün eyni konsepsiyanı sübut etmək çətin olaraq qaldı. Bu problemin öhdəsindən gəlmək üçün komanda bir sıra laylı keçid metal sulfidlərini tədqiq etdi və katod materiallarında həlledici ko-interkalasiya proseslərini müəyyən etdi.

“Ko-interkalasiya prosesi çox səmərəli və daha sürətli doldurulan batareyaların yaradılması üçün istifadə edilə bilər. Buna görə də biz bu mövzunu daha ətraflı araşdırmaq istədik”, – professor Adelhelm deyir.

Katodlarda birgə interkalasiya: Fərqli bir proses

Tədqiqat son üç ildəki təfərrüatlı araşdırmaları özündə birləşdirir: Dr. Yanan Sun katod materiallarında həcm dəyişikliyi ölçmələri həyata keçirdi, DESY-də PETRA III-də sinxrotron şüalanması ilə struktur analizləri apardı və elektrodların və həlledicilərin müxtəlif birləşmələri üçün elektrokimyəvi xassələri araşdırdı. Nəzəriyyə dəstəyi ilə, Dr. Gustav Avall ilə əməkdaşlıq edərək, gələcəkdə birgə interkalasiya reaksiyalarını proqnozlaşdırmağa kömək edən vacib parametrlər müəyyən edilə bilər.

Üstünlük: Super sürətli kinetik

“Katod materiallarında interkalasiya prosesi qrafit anodlarında baş verənlərdən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir” deyə Sun izah edir. Qrafit anodlarında ko-interkalasiya reaksiyaları adətən aşağı tutumlu elektrodlarla nəticələnsə də, araşdırılan katod materiallarında birgə interkalasiya nəticəsində yaranan tutum itkisi çox aşağıdır.

“Hər şeydən əvvəl, müəyyən katod materialları böyük üstünlük təklif edir: kinetiklər super sürətlidir, demək olar ki, superkondensator kimidir” deyə Sun vurğulayır.

Yeni materiallar üçün geniş kimyəvi mənzərə

Adelhelm deyir: “Birgə interkalasiya reaksiyalarının əsl gözəlliyi onların müxtəlif tətbiqlər üçün yeni laylı materialların dizaynı üçün geniş kimyəvi landşaft təklif etmək bacarığındadır”.

“Ko-interkalasiya konsepsiyasını araşdırmaq olduqca riskli idi, çünki bu, klassik batareya biliklərinə ziddir. Tapıntılar bir çox istedadlı insanların birgə səyinin nəticəsidir və Helmholtz-Zentrum Berlin və Humboldt-Universitetləri tərəfindən maliyyələşdirilən operando batareya analizi üzrə birgə tədqiqat qrupunun təqdim etdiyi imkanlar olmadan mümkün olmazdı”, o əlavə edir.

“HZB, HU və BAM arasında bu yaxınlarda elan edilmiş Berlin Batareya Laboratoriyası Berlində birgə tədqiqat layihələri üçün daha çox imkanlar təmin edəcək.”

Daha çox məlumat: Yanan Sun et al, Natrium-ion batareyaları üçün laylı katod aktiv materiallarda həlledici ko-interkalasiya, Təbiət Materialları (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02287-7

Jurnal məlumatı: Təbiət Materialları Alman Araşdırma Mərkəzlərinin Helmholtz Assosiasiyası tərəfindən təmin edilmişdir