г. Москва, Выборгская улица д. 20, корп. 2

Натрий-ионные аккумуляторы как альтернатива литиевым

Содержание статьи

электрохимические системы на основе ионов натрияНесмотря на многие преимущества и повсеместное использование Li-ion аккумуляторов, они не лишены недостатков. Прежде всего, это высокая цена, химическая активность и пожароопасность лития. К тому же, запасы этого металла ограничены и в будущем не смогут удовлетворить стремительно растущий спрос на аккумуляторные батареи.

Поэтому ученые не останавливаются на достигнутых результатах и активно работают над открытием новых технологий накопления энергии. В частности, они рассматривают в качестве альтернативы литий-ионным АКБ электрохимические системы на основе ионов натрия. Этот щелочной металл на пару порядков дешевле лития, ведь он в изобилии содержится в морской воде и без проблем извлекается из нее.

Особенности Na-ion аккумуляторов

Натрий-ионные АКБ пока проходят стадию разработки. Ученые работают над усовершенствованием их конструкции, увеличением ресурса, ускорением зарядки и повышением токоотдачи. Главная задача изобретателей заключается в поиске экологически безопасного состава и улучшенной конструкции электродов.

В перспективе электроды могут изготавливать из железа. Его доступность по сравнению с никелем и кобальтом позволит снизить стоимость аккумуляторов без уменьшения энергоемкости. В целом натрий-ионные аккумуляторы как альтернатива литиевым элементам питания считаются наиболее перспективными кандидатами. Но об их коммерциализации говорить еще рано – вначале нужно завершить работы по поиску оптимальных решений и усовершенствованию технологии.

Примеры разработок

Схема натрий-ионного аккумулятора

Изобретатели уже представили немало достойных экземпляров Na-ion аккумуляторов, например:

  1. В 2015 году исследователи из США изобрели стабильный катод из эльдфеллита, а спустя несколько лет еще одна группа материаловедов предложила новый катод, позволяющий увеличить емкость элементов и снизить производственные расходы.
  2. В 2017 году изобретатели из Франции представили усовершенствованный аккумулятор стандартного типоразмера 18650. Модель имела вольтаж 3,5 В, удельную энергоемкость 90 Вт·ч/кг и ресурс свыше 2000 циклов.
  3. В 2019 году ученые из Китая провели испытания огромной Na-ion батареи на 100 кВт·ч, собранную из более 600 элементов. Эта АКБ обеспечила автономное электропитание здания исследовательского центра.
  4. Южнокорейские ученые из Сеульского национального университета представили новую версию Na-ion батарей, которая превосходит современные Li-ion модели. В своей разработке изобретатели использовали ванадиевые окислительно-восстановительные пары, которые защищают электрохимическую систему от разрушения и обеспечивают рекордную емкость – до 600 Вт·ч/кг.
  5. Ученые из Токийского университета использовали натриевый катод и анод из оксидов железа, натрия и марганца. Материал анода они подвергли 12-часовому нагреву при 900 °С. В результате получился Na-ion аккумулятор на 190 мА·ч/г и 2,75 В. Для увеличения вольтажа до 3 В достаточно сделать катод из графита или диоксида титана. Многослойные электроды с увеличенными промежутками между слоями не препятствуют быстрому перемещению ионов Na, что на практике означает ускорение процесса зарядки и увеличение токоотдачи при разряде.
  6. Изобретатели из Швейцарии создали новый электролит из клозобората с отличной проводимостью ионов Na и применили его в сочетании с натриевым анодом и катодом из оксида NaCrO2. Порошкообразный материал электролита они соединили с материалом катода с небольшим добавлением клозобората, нанесли полученный материал на натриевую фольгу и изготовили аккумулятор. В итоге получился элемент вольтажом 3 В и емкостью порядка 85 мА·ч/г, сохраняющий 80% восстанавливаемой емкости после 250 циклов 5-часовой разрядки.
  7. На химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова также ведутся разработки инновационных Li-ion и Na-ion накопителей энергии. В качестве катодного материала изобретатели используют оксиды Li (Co, Ni, Mn, Al)O2, Na (Fe, Ni, Mn)O2 и рассматривают возможность применения материала Na3V2 (PO4)3. В 2019 году группа изобретателей МГУ запатентовала электродный материал β-NaVP2O7. В роли анодного материала исследователи применяют Hard Carbon, эффективно интеркалирующий ионы Na.
Артикул:2467
В наличии
497
Артикул:3427
В наличии
8 967
Аккумулятор CALB Li-ion 3,7В 169А*ч, MS45112222-169
Hit
Артикул:5321
В наличии
10 999
Аккумулятор Samsung 50G 21700 Li-ion 3,7 Вольт 5000 мА*ч
Hit
Артикул:5431
В наличии
725

    Принцип работы аккумуляторов

    В составе Li-ion аккумулятора есть 2 электрода: анод из графита и катод из кобальтата лития LiCoO2, литий-марганцевой шпинели LiMn2O4 или другого оксида. Ионы Li переносят заряд от анода к катоду в процессе разряда и обратно при зарядке. Они высвобождаются из одного электрода, проходят через сепаратор и интегрируются в материал второго электрода. Поэтому величина ионов и их способность внедряться в кристаллическую решетку материалов электродов играют важную роль при разработке аккумуляторов.

    схема натрий ионного акбОт величины ионов и их встраиваемости в электроды зависит емкость батареи, ее способность накапливать и отдавать энергию. Ионы Na на 25% крупнее, чем ионы Li, медленнее двигаются и сложнее интегрируются в материалы электродов. Поэтому изобретателям пришлось изменить конструкцию Na-ion аккумуляторов, чтобы повысить их энергоэффективность. Чтобы анод удерживал больше ионов Na, нужно увеличить промежутки между слоями атомов в его кристаллической решетке.

    При использовании электродов с многослойной пористой структурой удается получить отличные эксплуатационные характеристики Na-ion аккумуляторов: плотность тока порядка 10 А/г предыдущих разработок она составляла всего 0,01 А/г), емкость при предельных токовых нагрузках более 70 мА·ч/г, удельную энергоемкость до 160 мА·ч/г. Такие элементы питания способны конкурировать даже с лучшими Li-ion моделями.

    Преимущества натрий-ионных аккумуляторов

    Потенциальными преимуществами Na-ion элементов питания являются:

    • доступность сырья;
    • нетоксичный состав;
    • низкая цена – на 80% ниже, чем у аналогов на основе лития;
    • безвредность глубоких разрядов;
    • долговечность – срок службы 5–10 лет без ощутимого снижения характеристик, после 100 циклов емкость лучших экспериментальных образцов снижается на 5%, а затем ее снижение замедляется и после 500 циклов составляет 16%;
    • отсутствие в составе кобальта, добыча которого в Демократической Республике Конго сопряжена со многими трудностями;
    • возможность изготовления на тех же заводах, где сейчас производят Li-ion аккумуляторы;
    • у моделей с твердым электролитом – устойчивость к образованию дендритов.

    Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec.ru о типах ваттметров и критериях их выбора.

    • Статья обновлена: 20 марта 2023 г.
    • 20 марта 2023 г.
    • 1590 просмотров
    • 0 комментариев
    Изменение электрохимических процессов в литий-ионных аккумуляторах во время зарядки и разрядки и его влияние на производительность
    Предыдущая
    Изменение электрохимических процессов в литий-ионных аккумуляторах во время зарядки и разрядки и его влияние на производительность
    Следующая
    Из чего состоит литий-ионный аккумулятор
    Из чего состоит литий-ионный аккумулятор
    RU Москва