Улучшенное хранение натрия в твёрдом углероде с помощью электролита для со-интеркаляции растворителя, обеспечивающего пачечные элементы с ёмкостью в ампер-часах при низких температурах

Почему важны «морозоустойчивые» батареи

От электромобилей в заснеженных регионах до датчиков в глубоком арктическом холоде — многим современным устройствам нужны батареи, которые продолжают работать при низких температурах. Сегодняшние литиевые и натриевые батареи часто теряют мощность или вовсе выходят из строя в сильный мороз, поскольку их внутренняя химия замедляется. В этом исследовании изучается новый подход к созданию натриевых батарей — с использованием специально подобранной жидкой среды внутри аккумулятора — чтобы они могли надёжно накапливать и отдавать энергию даже при температурах до −50 °C.

Проблема «замерзающих» батарей

Батареи накапливают энергию за счёт перемещения заряженных атомов, называемых ионами, между двумя твёрдыми электродами через жидкий электролит. В натриевых батареях ионам натрия нужно пройти через тонкую поверхностную плёнку и войти в углеродный отрицательный электрод, называемый твёрдым углеродом. При низких температурах происходят два негативных эффекта: ионы двигаются медленнее в жидкости, и им сложнее освободиться от молекул растворителя, окружающих их, перед входом в твёрдый углерод. Одновременно защитная поверхностная плёнка — твердая электролитно-интерфейсная фаза — имеет тенденцию утолщаться и становиться более резистивной на холоде. Всё это затрудняет движение ионов натрия, поэтому батарея способна выдавать гораздо меньше энергии в критические моменты.

Новая смесь электролита для облегчённого перемещения ионов

Исследователи решили эту проблему, переработав состав электролита так, чтобы ионам натрия больше не приходилось полностью снимать оболочку растворителя перед входом в твёрдый углерод. Они смешали два эфирообразных растворителя: диэтиленгликоль диметиловый эфир (G2), который сильно связывается с ионами натрия и поддерживает быстрое движение ионов, и 2-метилоксолан (MO), менее полярную жидкость, остающуюся текучей при очень низких температурах. В получившемся «электролите для со-интеркаляции» ионы натрия координируются в основном с G2, тогда как MO в основном выполняет роль свободного, несвязывающего растворителя, который помогает сохранять смесь жидкой до −50 °C. Компьютерное моделирование и спектроскопические измерения показали, что эта смесь формирует устойчивую структуру, в которой ионы натрия и молекулы G2 движутся вместе как небольшой кластер.

Позволяя ионам входить в углерод, не «раздевшись»

Вместо того чтобы заставлять ионы натрия терять оболочку растворителя на поверхности электрода, новый электролит позволяет кластеру натрий–G2 напрямую проскальзывать через поверхностную плёнку и проникать в слоистые пространства твёрдого углерода. Этот процесс, называемый со-интеркаляцией растворителя, обходит медленный этап «раздевания», который обычно ограничивает работу при низких температурах. Микроскопические и спектроскопические тесты показали, что поверхностная плёнка, сформировавшаяся с этим электролитом, тоньше и богаче неорганическими компонентами по сравнению с традиционными системами. Такое сочетание защищает электрод, позволяя при этом ионам быстро пересекать интерфейс. Измерения диффузии ионa и электрического сопротивления подтвердили, что ионы движутся быстрее внутри углерода и через интерфейс, особенно при низких температурах.

Высокая работоспособность даже при −50 °C

Когда команда испытала монетные элементы с твёрдым углеродом и новым электролитом, они обнаружили, что батареи сохраняют высокую ёмкость и эффективность от комнатной температуры до −50 °C. При −50 °C электрод из твёрдого углерода по-прежнему давал около 80% от первоначальной эффективности заряда и сохранял более 90% ёмкости после 200 циклов заряд–разряд. Выйдя за рамки маленьких элементов, исследователи собрали пачечные (pouch) элементы — плоские батареи, похожие на те, что используются в потребительской электронике, — ёмкостью примерно 1,2 ампер-часа. Эти полноразмерные натриевые батареи достигли удельной энергии 163 ватт-часа на килограмм при комнатной температуре и 107 ватт-часов на килограмм при −50 °C, при этом продолжая питать светодиодные лампы более 10 часов в камере при −50 °C.

Что это означает для будущих батарей для холодного климата

Для неспециалистов основной вывод таков: авторы нашли способ позволить ионам натрия сохранять полезную «шубку» из растворителя при входе в углеродный электрод батареи. Создав электролит, который остаётся жидким в холоде и формирует тонкую, благоприятную для ионов поверхностную плёнку, они устранили основное узкое место в работе при низких температурах. Этот подход может помочь сделать натриевые батареи — более дешёвую альтернативу литий-ионным — более практичными для использования в зимнем климате, на большой высоте и в других суровых условиях, где срочно требуется надёжное и доступное накопление энергии.

Цитирование: Li, M., Liu, Z., Zhao, Y. et al. Enhanced sodium storage in hard carbon via solvent co-intercalation electrolyte enabling Ah-level pouch cells at low temperatures. Nat Commun 17, 1478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69237-y

Ключевые слова: натриевые батареи, батареи для низких температур, дизайн электролита, аноды из твёрдого углерода, накопление энергии