Аморфно/кристаллические переплетённые мультиподы с высокой активностью Co/Ni для натрий‑серных батарей, работающих в широком диапазоне температур

Почему лучшие батареи важны при любой погоде

Современная жизнь зависит от перезаряжаемых батарей, но многие из них сдают позиции, когда погода становится леденяще‑холодной или изнуряюще жаркой. Натрий–серные батареи представляют собой привлекательный и недорогой вариант для хранения возобновляемой энергии, однако они обычно теряют ёмкость в холоде и быстро стареют при высоких температурах. В этом исследовании представлен новый материал для батарей, который сохраняет эффективность натрий–серных ячеек от значительно ниже нуля до жаркого летнего дня, приближая нас к надёжному хранению энергии в любых климатических условиях.

Простая идея за сложной батареей

Натрий–серные батареи используют распространённые элементы: металлический натрий на одном электроде и серу на другом. При заряде и разряде натрий и сера проходят через сложную последовательность химических этапов с участием множества электронов. В теории это обеспечивает очень большую ёмкость, но на практике замедляет процессы и приводит к образованию промежуточных соединений — натрий-полисульфидов, которые могут растворяться и перемещаться внутри батареи. В результате наблюдаются вялое поведение, падение ёмкости и особенно плохая работа при сильном холоде или жаре.

Проектирование крошечного звездообразного помощника

Исследователи решили эти проблемы с помощью специально разработанного катализатора, размещённого в серном электроде и направляющего реакции. Они создали крошечные «мультиподы» — звездообразные частицы из сульфидов кобальта и никеля — и тонко изменили их структуру, добавив небольшое количество олова в процессе синтеза. Это добавление олова нарушает рост кристаллов, создавая любопытную смесь: области с аккуратно упорядоченными атомами (кристаллические), переплетённые с участками с более беспорядочной структурой (аморфные). Эти мультиподы выращены на тонких листах проводящего материала MXene, который служит каркасом и «шоссе» для электронов.

Как смешанная структура ускоряет и контролирует реакции

При изучении материала с помощью современных микроскопов и спектроскопических методов команда показала, что мультиподы действительно переплетают упорядоченные и неупорядоченные области. Упорядоченные части обеспечивают быстрые пути для электронов, тогда как неупорядоченные дают многочисленные «точки приземления», где натрий‑полисульфиды могут фиксироваться и реагировать. Структура, индуцированная оловом, также изменяет электронную среду атомов кобальта и никеля, создавая больше вакансий серы и усиливая их связи с полисульфидами. Компьютерные моделирования подтверждают это: ключевые этапы реакции — особенно превращение коротких серных видов в окончательный твёрдый продукт — требуют меньше энергии на этом смешанном материале, чем на полностью кристаллической версии, что означает более быструю и плавную работу процесса.

Доказательство эффективности от мороза до жары

Чтобы проверить, действительно ли такой дизайн улучшает работу реальной батареи, исследователи собрали натрий–серные элементы с их катализатором‑мультиподом, загруженным серой. При комнатной температуре эти элементы показали очень высокую ёмкость и сохраняли её в течение более чем тысячи циклов заряда‑разряда, теряя при этом лишь незначительную долю каждый цикл. При –20 °C, где обычные натрий–серные батареи страдают от заторможенной химии, новые ячейки по‑прежнему обеспечивали высокую ёмкость и стабильные циклы при требовательных токах. При 50 °C, когда растворённые полисульфиды обычно распространяются и повреждают элемент, батареи сохраняли большую часть ёмкости в течение сотен циклов. Измерения электрического сопротивления и подвижности ионов подтвердили, что смешанная структура обеспечивает быстрые реакции даже в холоде, а тесты адсорбции показали, что она эффективно удерживает полисульфиды, ограничивая внутренний «шаттл», который ухудшает работу при высокой температуре.

Что это означает для будущего накопления энергии

Проще говоря, исследование демонстрирует разумный способ сделать натрий–серные батареи одновременно мощными и устойчивыми вне зависимости от сезона. Переплетая упорядоченные и неупорядоченные области внутри крошечной частицы‑катализатора и тонко настраивая локальную атомную среду, исследователи снизили барьеры, замедляющие реакции батареи, и захватили проблемные промежуточные виды, которые обычно вызывают потери. Такой подход к инженерии интерфейсов внутри материалов можно применить к многим типам батарей, открывая путь к более дешёвому, высокоёмкому хранению энергии, которое надёжно поддержит сети возобновляемой энергетики в холодные зимы, жаркие лета и во всех условиях между ними.

Цитирование: Xiao, T., Fang, Z., Ran, N. et al. Amorphous/crystalline interwoven multipods with high Co/Ni activity for wide-temperature-range sodium-sulfur batteries. Nat Commun 17, 2333 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69749-7

Ключевые слова: натрий–серные батареи, накопление энергии, катализаторы для батарей, работа в широком температурном диапазоне, аморфно–кристаллические интерфейсы