Інженери в Австралії створили натрієву батарею, яка пропрацювала понад 5000 годин під час лабораторних випробувань. У ній використовується тверде, схоже на пластик ядро замість легкозаймистої рідини, що робить всю систему набагато стійкішою до перегріву.
Прототип, розроблений в Університеті Квінсленда, призначений для акумуляторних станцій, що зберігають поновлювану енергію в мережі, пише Earth. Замінюючи дефіцитний літій на звичайний натрій (той самий, що в кухонній солі), розробка обіцяє зниження витрат і зменшення навантаження на ланцюжки поставок для багатьох країн.
Чому до натрію прикута увага
Натрій знаходиться прямо під літієм у таблиці Менделєєва, але він більш поширений, і його легше добувати. Кілька дослідницьких груп стверджують, що батареї на основі натрію можуть скоротити витрати на матеріали для великих проєктів зі зберігання енергії.
Роботою керував доктор Чен Чжан з Австралійського інституту біоінженерії та нанотехнологій (AIBN) при Університеті Квінсленда.
Його дослідження зосереджені на твердотільних батареях, які поєднують більш безпечні електроліти з недорогими металами, такими як натрій. У традиційних натрій-металевих елементах використовуються рідкі електроліти, в яких часто ростуть дендрити - крихітні металеві шипи, що пронизують внутрішні шари батареї. Ці шипи можуть спричинити коротке замикання, призвести до втрати накопиченої енергії, а в гіршому випадку - до пожежі.
Небезпеки, що ховаються всередині батарей
Усередині кожної батареї міститься електроліт - матеріал, що дозволяє зарядженим іонам переміщатися між двома електродами. "У більшості батарей використовується рідкий електроліт, але ці рідини горючі і можуть перегріватися", - сказав доктор Чжан.
Тверді електроліти замінюють цю рідину твердим шаром, що підвищує безпеку і усуває необхідність у важкій захисній упаковці. Більш ранні роботи показали, що полімери на основі перфторполіефіру можуть підтримувати стабільний цикл роботи натрію за високих температур.
Проблема в тому, що тверда речовина має бути одночасно досить міцною, щоб блокувати зростання металу (дендритів), і досить проникною всередині, щоб іони могли прослизати крізь неї. Багато матеріалів-кандидатів або тріскаються під навантаженням, або настільки уповільнюють іони, що батарея стає занадто повільною ("млявою") для реального використання.
Команда з Квінсленда вирішила цей компроміс, переробивши електроліт на молекулярному рівні, а не просто замінивши одну сіль на іншу. Вони хотіли отримати пластик, який міг би гнутися разом з електродами, але при цьому зберігати організовані шляхи для руху натрію глибоко всередині.
Пластик та іони натрію
Новий матеріал являє собою блок-сополімер - довгий ланцюг, що складається з двох різних повторюваних сегментів, з'єднаних разом. Одна частина ланцюга захоплює іони натрію, а інша залишається слизькою і фторованою, щоб полімер не горів.
При правильній обробці ланцюги утворюють об'ємно-центровану кубічну структуру - тривимірний візерунок зі з'єднаними "кишенями" для іонів. Ці кишені з'єднуються в тунелі, тож іони натрію можуть рухатися з низьким опором, не дозволяючи ниткам (дендритам) пробиватися крізь них.
У повноцінних комірках з використанням катода з фосфату ванадію-натрію пристрій зберіг понад 91% своєї початкової ємності. Батарея утримувала цей рівень після 1000 циклів швидкого заряджання і розряджання за температури 176 градусів за Фаренгейтом (80°C) у випробувальній камері.
Натрієві батареї і попит на енергію
На відміну від багатьох літієвих батарей, натрій-металеві конструкції не вимагають кобальту або нікелю в катодах. Це знижує тиск на ланцюжки поставок, пов'язані із забрудненням довкілля і трудовими проблемами в певних гірничодобувних регіонах.
Для енергомережі з сонячними панелями і вітряними турбінами стаціонарні батареї допомагають згладжувати періоди падіння генерації. Осередки, що зберігають високу ємність роками, можуть розміщуватися в блоках розміром з контейнер на підстанціях і накопичувати електрику.
Оскільки натрій отримують із загальнодоступних джерел, як-от морська вода і кам'яна сіль, країни без запасів літію можуть реалізовувати великі проєкти з виробництва батарей. Така різноманітність матеріалів може зробити глобальну енергетичну систему менш вразливою до раптових сировинних шоків або заборон на експорт.
Наступні кроки
Лабораторні тести часто проводять за підвищених температур для прискорення руху іонів, але реальні пристрої мають добре працювати у звичайних кімнатних умовах. В огляді журналу Energy and Environmental Science зазначається, що збереження ефективності натрієвих батарей у широкому діапазоні температур залишається ключовою перешкодою для комерціалізації.
"Така довгострокова продуктивність необхідна для зберігання енергії на рівні енергомережі", - підкреслив доктор Чжан. Для прототипу з Квінсленда очевидним наступним кроком є підвищення ефективності при роботі за стандартної кімнатної температури.
Що стосується матеріалів, команда експериментувала з кількома внутрішніми структурами, перш ніж зупинитися на тій, яка проводила натрій найбільш плавно.
Якщо дослідники зможуть об'єднати ефективність при кімнатній температурі з безпекою і терміном служби, вже продемонстрованими в лабораторії, натрій-металеві батареї можуть стати основою великих проєктів у галузі відновлюваної енергетики.
Цей зсув послабить тиск на постачання літію, зберігаючи потік чистої енергії після заходу сонця і під час безвітря.
Інші цікаві наукові новини
Раніше УНІАН повідомляв, що вчені виявили породи, які діють як природні електростанції. Ці породи виробляють водень і поводяться як "реактори". Вони дають ключ до розуміння того, як працює хімія глибоководних океанів і як, можливо, мільярди років тому зародилося життя.
Крім того, ми також розповідали, що вчені представили технологію "5D-пам'яті", яка може зберігати дані десятки мільярдів років. Вона вийшла за межі лабораторних експериментів і наближається до реального використання.
