Натрієві акумулятори виходять на новий рівень довговічності
Інженери в Австралії створили натрієву батарею, яка під час лабораторних випробувань працює понад 5 000 годин. Вона використовує твердий, схожий на пластик осердок замість займистого рідкого електроліту, що робить всю систему значно менш схильною до перегріву. Прототип, розроблений в Університеті Квінсленду, орієнтований на акумуляторні батареї для зберігання відновлюваної енергії в електромережах. Завдяки заміні дефіцитного літію на поширений натрій — звичайну кухонну сіль — технологія обіцяє нижчу вартість і менший тиск на ланцюги постачання для багатьох країн.
Чому натрій привертає увагу
Натрій розташований безпосередньо під літієм у періодичній таблиці, але є значно поширенішим і простішим у видобутку. Низка дослідницьких груп вважає, що батареї на основі натрію можуть істотно знизити матеріальні витрати для масштабних систем зберігання енергії. Дослідження очолив доктор Ченґ Чжан з Австралійського інституту біоінженерії та нанотехнологій (AIBN) при Університеті Квінсленду.
Його робота зосереджена на твердотільних батареях, які поєднують безпечніші електроліти з недорогими металами, такими як натрій. Традиційні натрієві елементи з металевим анодом використовують рідкі електроліти, у яких часто утворюються дендрити — крихітні металеві «шипи», що проростають крізь внутрішні шари батареї. Вони можуть спричиняти коротке замикання, втрату накопиченої енергії та, в найгірших випадках, займання.
Приховані небезпеки всередині батарей
У кожній батареї є електроліт — матеріал, який забезпечує рух заряджених іонів між двома електродами.
«Більшість батарей використовує рідкий електроліт, але такі рідини є займистими й можуть перегріватися», — пояснює доктор Чжан.
Твердотільні електроліти замінюють рідину твердим шаром, що підвищує безпеку та усуває потребу у важкому захисному корпусі. Попередні дослідження показали, що полімери на основі перфторполіефірів здатні забезпечувати стабільну роботу натрієвих батарей за високих температур.
Проблема полягає в тому, що твердий матеріал має бути водночас достатньо міцним, щоб блокувати ріст металу, і достатньо «відкритим» усередині, аби іони могли вільно переміщатися. Багато перспективних матеріалів або тріскаються під навантаженням, або настільки уповільнюють рух іонів, що батарея стає непридатною для практичного використання.
Команда з Квінсленду вирішила цю дилему, переосмисливши електроліт на молекулярному рівні, а не просто замінивши одну сіль на іншу. Метою було створити «пластик», який міг би гнучко працювати разом з електродами, водночас зберігаючи впорядковані канали для руху натрію всередині матеріалу.
Пластик і натрієві іони
Новий матеріал є блок-кополімером — довгим ланцюгом, утвореним із двох різних повторюваних сегментів, з’єднаних між собою. Одна частина ланцюга зв’язує іони натрію, тоді як інша залишається слизькою та фторованою, завдяки чому полімер не займається. За правильних умов обробки ланцюги формують об’ємно-центровану кубічну структуру — тривимірний візерунок зі сполученими «кишенями» для іонів.
Ці кишені з’єднуються в тунелі, якими іони натрію можуть рухатися з низьким опором, не дозволяючи металевим ниткам проростати крізь матеріал. У повноцінних елементах із катодом на основі фосфату ванадію натрію пристрій зберіг понад 91 % початкової ємності. Він підтримував цей рівень після 1 000 швидких циклів заряджання та розряджання за температури 80 °C у випробувальній камері.
Натрієві батареї та попит на енергію
На відміну від багатьох літієвих батарей, натрієві конструкції з металевим анодом не потребують кобальту або нікелю в катодах. Це зменшує навантаження на ланцюги постачання, пов’язані з екологічними та соціальними проблемами в окремих регіонах видобутку.
Для електромереж із сонячними панелями та вітровими турбінами стаціонарні батареї допомагають згладжувати періоди падіння генерації. Елементи, здатні зберігати високу ємність упродовж років, можуть розміщуватися у контейнерних системах на підстанціях і накопичувати надлишкову електроенергію.
Оскільки натрій походить із поширених джерел, таких як морська вода та кам’яна сіль, країни без запасів літію можуть реалізовувати масштабні проєкти зі зберігання енергії. Така різноманітність матеріалів робить глобальну енергетичну систему менш вразливою до різких цінових коливань або експортних обмежень.
Наступні кроки для натрієвих батарей
Лабораторні випробування часто проводять за підвищених температур, щоб пришвидшити рух іонів, однак реальні пристрої мають ефективно працювати й за кімнатних умов. Стабільна робота натрієвих батарей у широкому діапазоні температур залишається ключовою перешкодою для їх комерціалізації.
«Така довготривала продуктивність є критично важливою для мережевого зберігання енергії», — наголошує доктор Чжан. Для прототипу з Квінсленду наступним очевидним кроком є підвищення ефективності за стандартних кімнатних температур. На матеріалознавчому рівні команда випробувала кілька внутрішніх структур, перш ніж зупинилася на тій, яка забезпечувала найплавніший транспорт натрію. «Ми протестували різні внутрішні структури, щоб знайти ту, яка забезпечить найкращу продуктивність батареї», — зазначив Чжоу.
Якщо дослідникам вдасться поєднати ефективність за кімнатної температури з уже продемонстрованою безпекою та довговічністю, натрієві батареї з металевим анодом можуть стати основою для великих проєктів відновлюваної енергетики. Такий перехід зменшить тиск на запаси літію та забезпечить стабільне постачання чистої енергії після заходу сонця й у безвітряні періоди.
Дослідження опубліковане в Journal of the American Chemical Society.
Источник: portaltele.com.ua