Baterie sodowe gotowe na wielką skalę? Symulacje potwierdzają potencjał selenku węgla

Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Delft zaproponowali wykorzystanie dwuwymiarowego selenku węgla (β-CSe) jako materiału anodowego w bateriach sodowo-jonowych. Badania obliczeniowe wskazują na parametry, które mogą znacząco przewyższyć możliwości konwencjonalnego grafitu, oferując przy tym wysoką pojemność przy zachowaniu niespotykanej stabilności strukturalnej.

Pojemność i stabilność

Baterie sodowo-jonowe są postrzegane jako sensowna alternatywa dla technologii litowo-jonowej. Choć mogą nie dorównywać litowi pod względem gęstości energii na kilogram, wygrywają niższym kosztem, powszechnością surowców oraz bezpieczeństwem transportu (możliwość całkowitego rozładowania do 0 V). Propozycja badaczy z Delft rozwiązuje jeden z głównych problemów tej technologii: niestabilność anody podczas cykli ładowania.

Zastosowanie monowarstwego β-CSe pozwala na osiągnięcie teoretycznej pojemności na poziomie 589 mAh/g. To wynik znacznie lepszy od tradycyjnych anod grafitowych. Podstawowe znaczenie mają jednak właściwości mechaniczne materiału:

• Minimalna ekspansja objętościowa – podczas cykli pracy materiał rozszerza się o zaledwie 3,2%. Dla porównania, anody krzemowe wykazują ekspansję sięgającą nawet 300%. To ta właściwość przyczynia się do ich szybkiej degradacji.
• Rekordowo niska bariera dyfuzji – bariera dyfuzji jonów wynosi zaledwie 0,019–0,021 eV. Jest to wynik niższy niż w przypadku zaawansowanych materiałów typu MXenes czy fosforen. Co to dokładnie oznacza? Szansę na ultraszybkie tempo ładowania i rozładowania.
• Bezpieczeństwo – równomierny rozkład atomów sodu na powierzchni anody zapobiega tworzeniu się dendrytów, czyli igłowatych struktur, które w bateriach litowych są główną przyczyną zwarć i pożarów.

Stabilność termiczna i mechaniczna

Zespół pod kierownictwem Talhy Zafera potwierdził stabilność termiczną materiału do temperatury 400 K za pomocą zaawansowanych metod symulacji, takich jak Teoria Funkcjonału Gęstości oraz dynamika molekularna ab initio.

Badania wykazały, że adsorpcja sodu zmienia monowarstwę w stan metaliczny. To z kolei gwarantuje doskonałe przewodnictwo elektroniczne. Dodatkowo, właściwości elektrochemiczne materiału mogą być modyfikowane poprzez zewnętrzne pole elektryczne lub naprężenia mechaniczne. W ten sposób otwiera się drogę do projektowania ogniw szytych na miarę.

Cel – stabilizacja OZE

Dzięki przewidywanej trwałości i niskim kosztom produkcji (selen i węgiel są łatwiej dostępne niż lit i kobalt), anody z β-CSe mogą stać się fundamentem dla magazynów energii współpracujących z farmami wiatrowymi i słonecznymi. Zdolność do szybkiego reagowania na wahania generacji z OZE to obecnie jedno z wąskich gardeł transformacji energetycznej.

„Nasze badanie ma charakter obliczeniowy, więc przewidujemy fundamentalny potencjał materiału. Jednak biorąc pod uwagę, że podobne materiały 2D zostały już z powodzeniem zsyntetyzowane w laboratoriach, wierzymy, że stworzenie β-CSe jest w zasięgu ręki” – zaznacza Talha Zafer.