Натрій-іонний акумулятор. Реальні перспективи супер-батареї

Технології накопичення енергії розглядаються як важливий інструмент для досягнення майбутнього з низьким рівнем викидів вуглецю.  За оцінками Міжнародного енергетичного агентства на змінну поновлювану електроенергію в 2050 році буде припадати близько 27-44% загального виробництва електроенергії.  Для цього буде потрібно додатково 310 ГВт сховищ енергії.  Тому реалізація цього проекту існує в довгостроковій перспективі.  Один з найперспективніших кандидатів на заміну літій-іонним акумуляторам - натрій-іонний акумулятор.  Питання переходу на нові типи акумуляторів назріло давно.  Для прогресу в різних областях, особливо в автомобілебудуванні, потрібні дешеві і ємні акумулятори, а літій дорожчає з року в рік, до того ж він хімічно дуже активний і пожежонебезпечний.  Результати досліджень показують, що натрієві акумулятори можуть замінити літій-іонні, використовувані сьогодні в електронних пристроях і деяких типах електромобілів.  При цьому електроди повинні бути зроблені з заліза, а не з нікелю або кобальту.  Такі матеріали, як натрій і залізо широко поширені в природі, і їх використання призведе до зниження вартості, при цьому щільність енергії залишиться такою ж, як і у літієвих акумуляторів.  У листопаді 2017 року французька компанія Electrochemical Energy Storage (RS2E) анонсувала нову поліпшену батарею формату 18650, що має напругу 3,5 В, ємність 90 Вт * ч / кг, кількість циклів заряд-розряд більше 2000 без істотної втрати ємності, що відповідає приблизно 10  рокам експлуатації.  У 2019 гігантська Na-іонна батарея потужністю 100 кВт-год була відкрита для випробувань китайськими вченими в Дослідницькому центрі фізики дельти річки Янцзи.  Гігантська батарея складається з більш ніж 600 з'єднаних Na-іонних акумуляторних елементів і забезпечує живлення будинку, в якому розташований центр.  Камінь спотикання. Межею мрій зараз стала думка поміняти літій на натрій, в технічному процесі виробництва акумулятора.  На жаль, але все як виявляється, впирається в розміри атомів елементів.  Атом натрію не вбудований туди куди атом літію легко стає, атом літію набагато менше атома натрія.Електрод просто не зможе накопичувати іони натрію.  Літієвий акумулятор складається з двох електродів, один на основі вуглецю (графіт), а інший з оксиду кобальту (в ідеалі, але може бути і інший оксид).  Іони літію несуть заряд від одного електрода до іншого.  Коли акумулятор заряджається, іони літію вивільняються з електроду на основі оксиду металу і прямують у бік електрода на основі вуглецю.  Поки йде заряд, між шарами вуглецю накопичуються іони літію.  При розряді літій-іонного акумулятора, все відбувається з точністю навпаки.  Не важко зрозуміти, що розмір і вбудовуваність іонів це і є камінь спотикання в розробці.  Чим простіше іон досягає своєї мети, тим більшу потужність може розвинути батарея, якщо ж процес вбудовуваннч уповільнений, то отримати струм на навантаженні потрібного рівня буде вкрай складно.  Na-ion акумулятор все ще перебуває в стадії розробки, і дослідники працюють над збільшенням його терміну служби, скороченням часу зарядки і виробництвом акумуляторів, здатних видавати велику потужність.  В даний час вчені зосередилися на вдосконаленні конструкцій натрій-іонних акумуляторів, перш за все на підборі оптимальної конструкції електрода і пошуку екологічно чистих матеріалів.  Після завершення цієї роботи, можна буде говорити про початок комерціалізації нової технології.  Мрія про ідеальну чудо-батарею Абсолютної чудо-батареї поки не існує, і вона залишається «слабкою ланкою» в доступному для огляду майбутньому.  Оскільки батарея заснована на електрохімічному процесі, необхідно враховувати обмеження щільності потужності і короткого терміну служби.  Ми повинні пристосуватися до цього обмеження і спроектувати виріб, що відповідає заданим параметрам.  Люди хочуть отримати невичерпний запас енергії в невеликій упаковці, яка буде дешевою, безпечною і чистою.  Необхідний радикальний поворот, щоб задовольнити невтомну спрагу в портативних і мобільних пристроях.  За останні півтора століття акумулятор покращився помірно в порівнянні з іншими досягненнями прогресу.  Акумулятор і раніше зберігає відносно мало енергії, громіздкий, важкий і має короткий термін служби.  Спостерігається тенденція, що чим менше батарея, тим більше зростає ціна за ват.  Швидкість, з якою мобільність вдосконалюється, багато в чому залежить від батареї.  Це джерело енергії настільки важливе, що інженери проектують портативні пристрої навколо батареї, а не навпаки.  З кожним поступовим поліпшенням батареї відкриваються перспективи для створення нових конструкцій і розширення їх застосування.  Дослідження нових типів акумуляторів йдуть впевненими темпами.  Середньорічний приріст потужності зазвичай становить близько 6%.  Для порівняння, мікроелектроніка домоглася набагато кращих результатів.  Гордон Мур зробив своє знамените спостереження в 1965 році, коли він передбачив, що зростання числа транзисторів на інтегральну схему буде подвоюватися кожні два роки.  Завдяки невпинним технологічним досягненням Intel, закон Мура був збережений і втілюється в життя і в 21 столітті.  Такі успіхи, якби це було можливо для акумуляторів, зменшили б надпотужний автомобільний акумулятор до розміру монети.  Проблема полягає в розмірі іонів натрію, які на 25% більше, ніж у літію.  Через це іони повільно переміщаються і насилу вбудовуються в кристалічну структуру електродів.  До цих пір ця проблема здавалася нерозв'язною, адже зменшити розміри іонів натрію не можна, але вчені знайшли спосіб обійти цей бар'єр.  Літій-іонні (Li-ion) акумулятори лідирують ... літій-іонні акумулятори відрізняються від інших багатьма бажаними характеристиками, такими як висока ефективність, тривалий термін служби, висока щільність енергії і висока питома потужність.  Щільність енергії Li-ion, по крайней мере, в два рази вище, ніж у NiCad, і його номінальний струм навантаження досить високий.  Насправді Li-ion поводиться подібно NiCad з точки зору характеристик розряду.  Li-ion також має відносно низький рівень саморозряду.  Характеристики Li-ion, поряд з їх здатністю до швидкого розряду, зробили їх майже ідеальними для застосування в мобільній електроніці. 

Альтернатива літію і надії на «сусіда» Споживання літію з кожним роком зростає, з'являється все більше різних пристроїв на батарейках, гаджети, телефони, смартфони.  Більшість з них - це акумулятори створені на основі літій-іонних структур.  На жаль, літій є обмеженим ресурсом і йому буде складно задовольнити зростаючий світовий попит на відносно дешеві батареї.  Тому дослідники зараз шукають альтернативи літій-іонного акумулятора.  І хоча літію в природі ще досить багато, на наш вік вистачить, про майбутнє потрібно думати вже сьогодні і придумувати таке, щоб дієво замінювало літій в акумуляторах.  Можливо, на черговому етапі буде створено акумулятор з кращими показниками і набагато дешевший.  Багатообіцяючою альтернативою є заміна літію металевим натрієм, щоб зробити Na-іонні батареї.  Натрій в великих кількостях міститься в морській воді і може бути легко вилучений з неї.  Фахівці звернули увагу на «сусіда» по таблиці Менделєєва, на лужний метал натрій, який можна і знайти практично скрізь, та й за ціною він набагато дешевше літію.  Таким чином, можна створити акумулятор, в якому вже іони натрію (Na +) вбудовуються в шари матеріалу.  В якості матриці використовували матеріал на основі молекул 4,4-стільбендікарбоксалата.  Дослідниц електрод з такого матеріалу має достатню ємність і дозволяє домагатися хороших показників в потужності.

Натрієві перспективи

Натрій-іонний акумулятор (Na-ion) - це тип електричного акумулятора, який має практично ідентичні літій-іонному акумулятору енергетичні характеристики, але вартість застосовуваних у ньому матеріалів значно нижча (натрій приблизно в 100 разів дешевше літію).  Тому в найближчі роки очікується широке поширення таких акумуляторів замість літієвих, в тому числі в електромобілях.  Великою перевагою натрій-іонних батарей є нешкідливість розряду до нуля, що робить більш безпечною їх перевезення і зберігання.  Рішення проблеми заміни літію на натрій в акумуляторах полягає в збільшенні відстані між окремими шарами атомів вуглецю, створюючих кристалічну структуру графіту.  Акумулятори Na-ion працюють за тим же принципом, що і Li-ion: натрій так само добре втрачає електрони і відмінно підходить для створення анода.  Однак у батарей Na-ion є серйозний недолік - дуже довгий час заряду і розряду, тобто такі батареї приймають і віддають занадто слабкий струм, потужності якого не вистачає, наприклад, для обертання автомобільного електродвигуна.  Проблема полягає в розмірі іонів натрію, які на 25% більше, ніж у літію.  Через це іони повільно переміщаються і насилу вбудовуються в кристалічну структуру електродів.  До сих пір ця проблема здавалася нерозв'язною, адже зменшити розміри іонів натрію не можна, але вчені знайшли спосіб обійти цей бар'єр.  Відрізняє хімічна активність і більші розміри атомів натрію зажадають зміни конструкції батареї.  Щоб відповідати по щільності енергії літій-іонним акумуляторам, анод натрієвого акумулятора повинен утримувати більшу кількість іонів.  Група дослідників Токійського університету науки під керівництвом Шінічі Комаба (Shinichi Komaba) створила спеціальний матеріал, змішавши оксид заліза, оксид натрію і оксид марганцю.  Потім отриманий порошок був поміщений в капсулу і нагрівався протягом 12 годин при температурі 900 ° С.  Формула нового матеріалу, який був використаний для створення анода акумулятора, має вигляд Na2 / 3 [Fe1 / 2Mn1 / 2] O2, при цьому катод був виготовлений з натрію.  Ємність отриманого акумулятора склала 190 мА • год на один грам при середній напрузі 2,75 В. Якщо катод виконати з вуглецю або діоксиду титану, напругк можна збільшити до 3 В. Це приблизно відповідає напрузі, яку можна отримати від двох батарейок типу АА.  

Варіант акумулятора, в якому іони натрію (Na +) вбудовуються в шари матеріалу електрода. 

Новий акумулятор має електроди, зібрані з безлічі шарів, причому між шарами великий зазор, по якому, як по автобану, швидко пересуваються великі іони натрію.  Це дозволяє швидко вводити електрони в решітку електродів (тобто швидко заряджати акумулятор), а також швидко витягати їх звідти (розряджати).  Продуктивність нового акумулятора висока: щільність струму в 1000 разів вище (10 А / г проти 10 мА / г), ніж у більшості інших натрій-іонних акумуляторів.  Такий акумулятор має велику ємність при максимальних токах: (72 мА · год / г).  При проміжних значеннях щільності струму (1 А / г), новий акумулятор показує вражаючу місткість до 160 мА · год / г, що порівнянно з кращими літій-іонними акумуляторами.  Довговічність Na-ion теж на висоті: висока кількість циклів заряд / розряд при збереженні 70% ємності.  Простіше кажучи, для електромобіля із запасом ходу в 200 км на одній заправці термін служби батареї складе 5-10 років без помітного погіршення характеристик.  Ще однією перевагою є те, що Na-іонні батареї не потребують кобальт, який все ще необхідний в літій-іонних батареях.  Велика частина кобальту, використовуваного сьогодні для виробництва літій-іонних батарей, видобувається в Демократичній Республіці Конго, де часті повстання, неорганізований видобуток корисних копалин і дитяча праця створюють невизначеність і моральні сумніви щодо торгівлі кобальтом.  З позитивного боку також враховується, що Na-іонні акумулятори можуть вироблятист на тих же заводах, які сьогодні виробляють літій-іонні акумулятори.  Дисульфід молібдену поводиться в натрій-іонних акумуляторах: багатошарова і пориста структура забезпечує ефективні дифузійні канали для іонів натрію під час швидкого накопичення і віддачі заряду осередками.  Крім того, відпадає необхідність у використанні полімерного сполучного речовини і мідної фольги, які є частиною традиційних електродів.  При цьому електроди нового типу дають стабільну зарядну ємність в 230 мА • год / г.  Одна з проблем полягає в тому, що може бути складно виготовити невеликі Na-іонні батареї.  Але великі батареї також мають цінність - наприклад, коли мова йде про зберігання вітрової або сонячної енергії.  

Na-іонним - «зелену» дорогу

В умовах швидкого зростання попиту на електроенергію, що виробляється з поновлюваних джерел, інтерес до Na-іонних батарей виріс через їх низьку вартість і необхідність збільшувати різноманітність технологій зберігання акумуляторів з метою забезпечення енергетичної безпеки.  Для невеликих масштабів (<60 кВт-год) децентралізовані накопичувачі енергії технології Na-ion батареї є ідеальними кандидатами.  Ця пропозиція покращить продуктивність Na-ion батарей з точки зору енергії і щільності потужності шляхом створення замкнутого підходу до проектування, характеристик, моделювання та отримання матеріалів.  

Дослідження тривають

Розроблено також новий твердий електроліт для натрій-іонних акумуляторів на основі бороводнів.  З його допомогою швейцарські вчені створили повністю твердий і стабільний акумулятор з напругою три вольта, повідомляється в дослідженні швейцарських вчених, опублікованому в журналі Energy & Environmental Science.  Натрій-іонні акумулятори складаються з анода і катода, розділеного електролітом, через який переміщуються іони металу (літію або натрію).  Під час розрядки іони металу переміщуються до катода, а електрони до анода.  Під час зарядки процеси йдуть у зворотному напрямку.  Проблема таких акумуляторів полягає в тому, що метал може осідати на електрод нерівномірно і утворювати дендрити - кристалічні відростки деревовидної форми.  Ці дендрити можуть руйнувати сепаратор, який розділяє анод і катода, через що може статися коротке замикання, яке, в свою чергу, може призвести до пожежі або навіть вибух акумулятора.  Вчені зі Стенфордського університету повідомили, що використання літій-натрієвих батарей замість літій-іонних може істотно знизити вартість електрокара.  Відзначається, що натрієві акумулятори можуть коштувати на 80% дешевше, ніж аналоги, що мають в основі літій Вчені розробляють різні шляхи вирішення цієї проблеми, в тому числі акумулятори з твердим електролітом, який перешкоджає утворенню дендритів.  Дослідники під керівництвом Арндта Ремхофа (Arndt Remhof) зі Швейцарського федерального дослідного інституту матеріалознавства і технологій вирішили поєднати низьку вартість сировини для натрій-іонних акумуляторів і безпеку твердотільних електролітів.  Для цього вони розробили новий електроліт з високою провідністю натрієвих іонів, що складається з клозобората Na2 (B12H12) 0.5 (B10H10) 0.5.  На його основі був зібраний акумулятор з натрієвих аноду і катоду з NaCrO2.  Для цього вони спресували порошок електроліту і порошок для катоду, в який попередньо також додали невелику частку Na2 (B12H12) 0.5 (B10H10) 0.5.  До отриманого матеріалу вони додали натрієву фольгу і зібрали акумуляторний осередок.  Дослідники протестували її електрохімічні властивості, і з'ясували, що її напруга становить три вольта, ємність близько 85 міліампер-годин на грам.  При цьому акумулятор зберігає близько 80 відсотків ємності після 250 циклів зарядки-розрядки в режимі п'ятигодинного розряду (C / 5).  У 2015 році американські фізики створили більш стабільний катод для натрій-іонних акумуляторів на основі ельдфелліта, а недавно інша група американських вчених розробила інший катод для акумуляторів такого типу, який дозволить досягти ємності, порівнянної з літій-іонними акумуляторами при набагато меншій вартості виробництва.  Також недавно дослідники запропонували новий метод боротьби з утворенням дендритів в літій-іонних акумуляторах - додавати в їх електроліт наноалмази.  В даний час все пошуки зосереджені на тому, щоб знайти матеріал, який би був краще ніж графіт з позиції вбудовування атомів натрію під час зарядки акумулятора.  Навіть зараз вже можна створити натрій-іонний акумулятор і він буде таким же потужним, але ось розміри його будуть значно більшими.  Кому потрібен акумулятор великий?  Головне, щоб він був і потужний і маленький як мінімум.