Натрий-ионные аккумуляторы как альтернатива литиевым
Статья обновлена: 2023-03-20
Несмотря 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
Изобретатели уже представили немало достойных экземпляров Na-ion аккумуляторов, например:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
От 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 (у 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.
Несмотря 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.
От 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.