Австралийские инженеры разработали новую натриевую батарею, которая успешно функционировала более 5000 часов в условиях лабораторных испытаний. Это устройство использует твердую основу, напоминающую пластик, вместо легковоспламеняющихся жидкостей, что значительно повышает его устойчивость к перегреву.
Прототип был создан в Университете Квинсленда и предназначен для аккумуляторных систем, которые хранят возобновляемую энергию в энергетической сети, сообщает источник. Замена дорогостоящего лития на обычный натрий — тот же элемент, что встречается в поваренной соли — может привести к снижению затрат и облегчению нагрузки на цепочки поставок для многих стран.
Натрий располагается прямо под литием в периодической таблице, и его запасы гораздо больше, что делает его более доступным для добычи. Несколько научных групп предполагают, что натриевые батареи могут значительно сократить затраты на материалы для крупных проектов по хранению энергии.
Работу над проектом возглавил доктор Чэн Чжан из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий (AIBN) Университета Квинсленда. Его исследования сосредоточены на твердотельных батареях, которые используют более безопасные электролиты и недорогие металлы, такие как натрий. Традиционные натрий-металлические элементы функционируют с жидкими электролитами, где часто образуются дендриты — спутанные металлические структуры, которые могут вызвать короткие замыкания и потерю накопленной энергии, а в наиболее неблагоприятных случаях — воспламенение.
Каждая батарея содержит электролит — материал, который позволяет ионам перемещаться между анодом и катодом. "Большинство батарей используют жидкий электролит, но такие жидкости подвержены возгоранию и перегреву", — отметил доктор Чжан. Твердые электролиты, применяемые в новых разработках, заменяют жидкость, что повышает безопасность и устраняет необходимость в тяжёлой защитной оболочке.
Более ранние исследования показали, что полимеры на основе перфторполиэфиров способны выполнять функцию стабильного электролита для натриевых батарей при высоких температурах. Однако основная проблема заключается в том, что материал должен быть достаточно прочным, чтобы предотвращать рост дендритов, и в то же время достаточно пористым для прохода ионов. Многие потенциальные материалы нарушают этот компромисс, либо обладая низкой прочностью, либо слишком замедляя движение ионов, что делает батарею неэффективной.
Команда из Квинсленда усовершенствовала свою технологию, переработав электролит на молекулярном уровне. Они стремились создать полимер, который бы имел возможность адаптироваться к деформациям электрода, но при этом оставался эффективным для движения натриевых ионов.
Новый материал представлен в виде блок-сополимера — длинной цепи, состоящей из двух различных повторяющихся сегментов. Одна часть цепи захватывает натриевые ионы, в то время как другая остается скользкой и устойчива к возгоранию. При правильной обработке цепи образуют структуру, в которой ионы могут перемещаться с минимальным сопротивлением, предотвращая внедрение дендритов.
В испытаниях батарея, использующая катод на основе фосфата ванадия-натрия, показала сохранение более 91% первоначальной емкости даже после 1000 циклов быстрой зарядки и разрядки при температуре около 80°C. В отличие от многих литиевых батарей, натриевые конструкции не содержат кобальта или никеля в своих катодах, что уменьшает экологическое воздействие и минимизирует трудовые проблемы в месторождениях этих металлов.
Стационарные батареи играют важную роль в энергетических сетях с солнечными панелями и ветряными турбинами, компенсируя периоды низкой генерации. Ячейки, сохраняющие высокую емкость на протяжении многих лет, могут быть установлены в контейнерах на подстанциях для накапливания энергии.
Поскольку натрий может быть получен из доступных источников, таких как морская вода и поваренная соль, страны, не обладающие запасами лития, могут реализовывать крупные проекты по производству натриевых батарей. Это многообразие материалов может снизить уязвимость глобальной энергетической сети к внезапным колебаниям цен на сырьё и экспортным ограничениям.
Хотя лабораторные тесты проводились при повышенных температурах для ускорения движения ионов, реальные устройства должны функционировать и в условиях обычной комнатной температуры. В обзоре журнала Energy and Environmental Science подчеркивается, что сохранение эффективности натриевых батарей при различных температурах остается ключевым препятствием на пути их коммерциализации.
Доктор Чжан акцентировал внимание на необходимости длительной надежности для хранения энергии в масштабах энергетической сети. Следующим шагом для прототипа из Квинсленда станет увеличение его эффективности в стандартных условиях.
Команда проводила эксперименты с различными внутренними структурами, прежде чем выбрать более эффективный вариант для передачи натриевых ионов. Когда исследователи смогут объединить эффективность работы при комнатной температуре с хорошими показателями безопасности и долговечности, натриевые батареи могут стать основой для масштабных проектов в области возобновляемой энергетики.
Этот переход позволит снять часть нагрузки с поставок лития, обеспечивая непрерывный поток чистой энергии в ночное время и в условиях безветрия.
