Почему натрий-ионные аккумуляторы начали разрабатывать в СколТех
В таблице приведены ориентировочные характеристики Na-ion и Li-ion элементов:
|
Критерий сравнения |
Номинальное напряжение |
Диапазон рабочих напряжений (от разряженного до заряженного состояния) |
Допустимый уровень разряда |
Диапазон рабочих температур |
|
Na-ion |
Обычно 3 или 3,1 В, но есть модели на 3,6 или 3,7 В |
от 1,5 или 2 до 3,95 В |
0% |
От -40 до +60 °С, и можно заряжать при температуре от -20 до +45 °С |
|
Li-ion |
3,6 или 3,7 В |
от 2,8 или 3 до 4,2 В |
20% |
От -20 до + 40, оптимальный от +10 до +25°С, зарядка при минусовых температурах недопустима |
Стадии разработки натрий-ионных аккумуляторов
Этот вид элементов питания начали разрабатывать еще в 1970-х годах, но серийно производить стали только с 2015. Первый аккумулятор Na-ion в цилиндрическом форм-факторе 18650 выпустила американская компания Aquion Energy. В 2017 году ученым из Швейцарии удалось улучшить характеристики новых аккумуляторов – повысить их стабильность, удельную емкость и циклический ресурс.
В том же году компания из Франции Electrochemical Energy Storage (RS2E) сообщила о создании нового усовершенствованного аккумулятора популярного типоразмера 18650 с напряжением 3,5 В, удельной энергоемкостью 90 Вт·ч/кг и ресурсом свыше 2000 циклов. Первые электромобили с натрий-ионными АКБ представила китайская компания CATL летом 2021 года.
Сложности в производстве натриевых АКБ
Хотя Na-ion и Li-ion элементы устроены и работают по одному и тому же принципу, ученым долго не удавалось найти подходящие материалы для аккумов на основе натрия. Несмотря на общее представление, простой заменой одного щелочного металла другим здесь не обойтись. Приходится заново рассчитывать формулы, выбирать компоненты, экспериментировать с их соотношением, учитывать влияние каждого компонента на рабочие характеристики. К тому же, катионы натрия Na+ крупнее, чем ионы лития Li+, поэтому сепараторы для натриевых элементов питания тоже приходилось разрабатывать заново.
Первые модели имели скромные характеристики и по ресурсу не подходили для коммерческого применения. Но с 2015 года, когда исследователи начали использовать многослойный оксидный катод, циклический ресурс значительно возрос. Ученые из разных стран разрабатывали новые материалы и постепенно смогли сделать натрий-ионные аккумы более эффективными. В частности, фосфат натрия ванадия Na x V 2 (PO 4) 3 обеспечил им лучшую стабильность электродов и напряжение 3,7 В.
Достижения российских изобретателей
Ученые Сколтеха и МГУ синтезировали катодный материал – фторидофосфат натрия-ванадия с уникальной кристаллической решеткой. На его основе они создали прототип монетовидного Na-ion аккумулятора и убедились, что удельная емкость возросла с 396 до 458 Вт·ч/кг. Благодаря этому материалу российским ученым удалось не только увеличить емкость на 15%, но и обеспечить элементам дополнительную морозоустойчивость.
В целом интерес инженеров Сколковского института науки и технологий к натрий-ионным аккумуляторам обоснован возможностью получить более доступные и при этом высокоэффективные элементы питания, нивелировать зависимость от лития и найти ему достойную альтернативу. На эту технологию делают ставки многие научно-исследовательские группы, и тестирование новых разработок подтверждает, что профессиональное чутье их не подводит.
Ученые убеждены в важности и необходимости дальнейших исследований катодных материалов и предполагают, что Na-ion батареи в будущем ожидает широкое использование. В частности, такие накопители энергии представляют интерес для производителей тяжелых электромобилей. Актуальны они и для других сфер, в т. ч. для хранения энергии, получаемой от альтернативных источников (солнечных панелей, ветрогенераторов).
В предыдущей статье мы проанализировали, что лучше: суперконденсатор или аккумулятор.
