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.
Немає коментарів:
Дописати коментар
Коментарі