Асимметричный дизайн сульфонамида, обеспечивающий работу натрий-ионных пауч-клеток при высоком напряжении и в широком диапазоне температур

Почему важны более холодостойкие и безопасные батареи

От электромобилей зимой до накопителей энергии для ветровых и солнечных ферм — нам всё больше нужны перезаряжаемые батареи, которые безопасно работают в любых сезонах. Современная ведущая технология, литий-ионные батареи, сталкивается с ограничениями по стоимости и ресурсам, поэтому учёные изучают натрий-ионные батареи как более дешёвую альтернативу. Однако натриевые ячейки испытывают трудности при очень низких температурах и высоких напряжениях зарядки, особенно в практических больших пауч‑клетках. В этом исследовании представлен новый жидкий компонент внутри батареи — электролит, который сохраняет работоспособность натрий-ионных батарей в широком диапазоне температур и делает их более стабильными и безопасными.

Переработка жидкости внутри батареи

Авторы сосредоточились на молекулах растворителя, которые растворяют натриевую соль и переносят ионы между электродами. Обычные растворители могут замерзать или становиться вязкими на холоде, а также разлагаться при зарядке батареи до высоких напряжений. Команда разработала новый сульфонамидный растворитель N-ethyl-N-methyl-trifluoromethanesulfonamide (EMTMSA) с преднамеренной асимметрией: одна короткая и одна немного более длинная боковая группа создают небольшой «изгиб» в молекуле. Эта геометрическая деформация препятствует плотной упаковке молекул в кристалл при охлаждении, обеспечивая EMTMSA очень низкую температуру плавления — около −86 °C. В то же время он остаётся стабильным при высоких напряжениях, необходимых для увеличения энергии батареи.

Сохранение подвижности ионов в сильный мороз

Смешав EMTMSA с двумя распространёнными карбонатными растворителями и натриевой солью, исследователи получили электролит, остающийся жидким и проводящим при экстремальном холоде. Эксперименты с ядерным магнитным резонансом показали, что молекулярное движение и вращение в этой смеси остаются активными даже при низких температурах, в отличие от стандартной карбонатной смеси, которая становится густой и вялой. Электролит на базе EMTMSA способствует образованию плотных пар натрий‑анион и мелких кластеров с анионами соли. Эти структуры ослабляют связь между ионами и растворителем, облегчая снятие солватной оболочки и переход ионов в электроды — что критично при низких температурах.

Стабильные поверхности с обеих сторон батареи

Работа батареи в течение многих циклов заряда/разряда зависит от тонких слоев, которые естественным образом формируются на границе жидкости и твёрдых электродов. С электролитом на базе EMTMSA эти слои становятся тонкими, однородными и богатыми неорганическими соединениями, такими как фторид натрия. На отрицательном электроде из твёрдого углерода (hard‑carbon) этот стабильный фильм предотвращает нежелательное осаждение металлического натрия в виде мохнатых наростов, которые иначе потребляли бы активный материал и повышали сопротивление. На положительном электроде NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 жидкость с EMTMSA формирует компактный защитный слой, ограничивающий потерю кислорода и растворение металлов, предотвращая образование толстого слабо проводящего «соляного» (rock‑salt) поверхностного слоя, который может затруднять транспорт ионов.

Эффективность в ячейках реального размера

Ключевым моментом является то, что команда протестировала свой электролит не только в мелких лабораторных ячейках, но и в пауч‑клетках ампер-часового масштаба с толстыми, высокозагруженными электродами, близкими к тем, что требуются для практических устройств. С электролитом на базе EMTMSA эти натрий‑ионные пауч‑клетки сохраняли около 70 % ёмкости при комнатной температуре даже при −60 °C и более 40 % при −70 °C, тогда как клетки со стандартными карбонатными жидкостями при таких низких температурах практически полностью выходили из строя. При комнатной температуре и повышенных предельных напряжениях 4,15 и 4,2 В относительно натрия клетки с EMTMSA сохраняли 90,0 и 81,6 % начальной ёмкости после 1500 и 1000 циклов соответственно, превосходя традиционные составы. Новая жидкость также проявила стойкость к воспламенению и задерживала начало теплового разгона в испытаниях на безопасность.

Что это значит для будущих натрий‑ионных батарей

Для неспециалиста основной вывод таков: изменение формы молекул растворителя внутри батареи может существенно повлиять на её работу в суровых условиях. Введя простой изгиб в молекулу сульфонамида, исследователи создали электролит, который остаётся жидким в экстремальном холоде, выдерживает высокие напряжения зарядки и формирует защитные слои, сохраняющие здоровье обоих электродов на протяжении многих циклов. Такой подход делает натрий‑ионные пауч‑клетки более эффективными, долговечными и безопасными в широком температурном диапазоне, приближая их к практическому применению в масштабном накоплении энергии и других областях, где важны стоимость и надёжность.

Цитирование: Cui, X., Li, Q., Chang, G. et al. Asymmetric sulfonamide design enabling high-voltage sodium-ion pouch cells in wide temperature. Nat Commun 17, 4378 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70592-z

Ключевые слова: натрий-ионные батареи, дизайн электролита, низкотемпературные батареи, безопасность батарей, пауч-клетки