Компания Natron в партнёрстве с Clarios начинает производство безопасных аккумуляторов на основе натрия с большим жизненным циклом и малым временем зарядки — массовый выпуск начнётся уже в следующем году в США. Важно, что натрий-ионные аккумуляторы не используют дефицитный и довольно дорогой литий.

Источник изображения: Natron

Сейчас основу рынка составляют литиевые элементы, причём большая часть цепочки поставок принадлежит Китаю, что не может не беспокоить США и их союзников. Кроме того, пока попросту недостаточно разведанных запасов лития, чтобы удовлетворить прогнозируемый спрос на аккумуляторы для электротранспорта и других отраслей, в которых планируется переход на электропитание в ближайшие годы.

В последнее время в поле зрения СМИ регулярно попадали проекты выпуска натрий-ионных АКБ. В частности, в прошлом году свою версию представила китайская CATL, с удельной ёмкостью порядка 160 Вт∙ч/кг — больше половины от той, на что способы литий-ионные варианты.

Калифорнийская Natron выбрала другой технологический процесс с использованием т. н. «берлинской лазури» — весьма популярного красителя. В Natron заявляют, что их разработка обеспечивает удельную ёмкость, среднюю между свинцово-кислотными и литий-ионными вариантами. Кроме того, их АКБ обеспечивают зарядку от 0 до 99 % за 8 минут и совершенно фантастические сроки работы в течение 50 000 циклов зарядки — приблизительно в 25 раз дольше, чем готовы обеспечить литий-ионные конкуренты. Кроме того, аккумуляторы будут температурно стабильными, безопасными для транспортировки и могут применяться без риска возгорания.

Тем не менее, ёмкость натрий-ионных аккумуляторов всё-таки слишком мала для применения в электромобилях — в Natron не акцентируют внимания на возможности их использования в электротранспорте. Вместо этого компания делает акцент на источниках резервного питания для ЦОД, погрузчиков и другого промышленного транспорта с небольшим запасом хода, а также всевозможных телекоммуникационных приложений.

Учёные Технического университета Чалмерса (Швеция) с помощью графена создали новый тип анода для натрийионных аккумуляторов, сделав их ёмкость сравнимой с литийионными.

Источник: spectrum.ieee.org

Натрийионные аккумуляторы используются в мобильных устройствах не так часто, поскольку литийионные в традиционном исполнении предлагают в 2 раза большую плотность энергии — 285 кВт‧ч/кг. Учёные Технического университета Чалмерса выяснили, что с новым типом графенового электрода натрийионный аккумулятор способен демонстрировать аналогичные показатели: этот материал способен удерживать такое же число ионов натрия. Натрийионные аккумуляторы более стабильны и имеют меньшую себестоимость — в электромобилях и электронике они окажутся полезными, тогда как литийионные батареи могут быть опасными при перегреве.

Для быстрой зарядки и большой ёмкости аккумулятора ионы должны легко входить в материал анода. Катод натрийионного аккумулятора производится из оксидов натрия, а в качестве анода используется материал на основе углерода. Это может быть активированный уголь, но он дорогой, и производить такие катоды трудно. Недорогим его аналогом является графит, однако ионы натрия не могут достаточно эффективно перемещаться между слоями графена. Для преодоления этой проблемы учёные создали новый материал, который состоит из чередующихся слоёв графена и бензола. Бензоловый слой увеличивает расстояние между графеновыми, позволяя ионам натрия беспрепятственно перемещаться. Кроме того, бензол может образовывать с ионами натрия сильную связь.

По подсчётам авторов проекта, ёмкость такого аккумулятора сравнима с показателями литийионного: с чистым графитом плотность энергии составляет 30 мА·ч/г, а с новым материалом она вырастает до более чем 330 мА·ч/г.

Ученые из Сколтеха и МГУ определили процессы и материалы, способные приблизить коммерциализацию натрийионных аккумуляторов ― ёмких, безопасных и недорогих батарей не хуже литийионных.

При участии ученых из Токийского университета науки и Университета г. Страсбург и при финансовой поддержке Российского научного фонда группа исследователей из Сколтеха и МГУ определила процессы, лежащие в основе работы анодного материала для нового перспективного класса химических источников тока ― натрийионных аккумуляторов. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta.

Основная проблема с натрийионными аккумуляторами сегодня кроется в аноде. В литийионных аккумуляторах в качестве анода сегодня используется графит, который не годится для натрийионных батарей. Из-за несоответствия размеров углеродных шестиугольников графита и катиона натрия интеркаляции (насыщения анода) не происходит. Для анодов натрийионных аккумуляторов нужен другой материал. Такой материал есть, и он эффективен, что подтвердили российские учёные.

Группа экспериментально подтвердила, что анод из «твердого углерода» (по-англ., hard carbon) способен запасать количество натрия, сопоставимое с графитом в литиевой батарее. Созданный российскими исследователями анод из «твердого углерода» может запасать более 300 мА·ч/г, что сопоставимо с возможностями обычных литийионных аккумуляторов.

Иллюстрация Сколтех

Одна из распространённых теорий гласила, что «твердый углерод» запасает энергию по принципу суперконденсатора, что ограничивало возможности этого материала и натрийионных аккумуляторов на его основе. Благодаря работе российских учёных убедительно доказаны интеркаляционные (накопительные) свойства анодов из этого вещества, что открывает путь к коммерциализации производства натрийионных аккумуляторов. А это — путь к перезаряжающимся батареям, которые могут быть намного дешевле литийионных при сопоставимых характеристиках.

Российские учёные из НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН совместно с немецкими коллегами из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф установили, что вместо лития в аккумуляторных батареях можно использовать особым образом «уложенный» натрий. Такой подход сделает батареи существенно дешевле, но при этом они не будут уступать в ёмкости литиевым. Подробная информация об этом исследовании была опубликована в журнале Nano Energy.

В современном мире литиевые аккумуляторы получили широчайшее распространение, поскольку они применяются в различных областях — от смартфонов и фотоаппаратов до транспорта и космической техники. В 2019 году изобретатели литиевых батарей были удостоены Нобелевской премии по химии, присуждённой за революционный вклад в развитие технологий.

Несмотря на это, литий является дорогостоящим металлом, запасы которого в природе ограничены. Поэтому учёные ведут работу, направленную на поиск альтернативы, способной заменить этот элемент в батареях. Однако до сих пор им не удалось отыскать близкую по эффективности альтернативу.

Возможное решение данного вопроса предложили российские и немецкие учёные, которые в ходе исследований установили, что если атомы внутри образца «уложить» особым образом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокий уровень энергоёмкости. Самым перспективным вариантом замены литию стал натрий, поскольку даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена ёмкость анода сопоставима с ёмкостью обычного графитового анода в литиевых батареях. Поскольку натрий значительно более распространён в природе, его использование может существенно удешевить аккумуляторы.

Что касается особого способа «укладки» атомов, то подразумевается расположение их в несколько слоёв, размещённых один над другим. Два слоя натрия размещаются между двумя слоями графена, в результате чего получается структура, напоминающая сэндвич.

В дальнейшем учёные намерены сформировать полноценный экспериментальный образец, пригодный для исследования в лабораторных условиях. Если оно окажется успешным, то можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, сопоставимых по ёмкости с литиевыми, или даже превосходящими их в этом, но стоящими в разы дешевле.