Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили концепцию прототипа топливной ячейки — воздушно-натриевого элемента питания. Сам прототип будет изготовлен позже. В объёме обычного строительного кирпича он сможет хранить свыше 1 кВт·ч энергии, что по соотношению запасаемой энергии к массе в три раза больше, чем у обычных литиевых аккумуляторов. Это создаст основу для региональной электрической авиации, сделав мир чище.

Источник изображения: Gretchen Ertl / MIT

Созданная учёными «H-ячейка» представляет собой две камеры, разделённые твёрдым керамическим электролитом. В левую камеру подаётся жидкий металлический натрий (температура перехода в металлическую фазу — 98 ℃), а в правую — обычный воздух. На аноде натрий окисляется, отдавая электроны в цепь (создавая электрический ток), а его ионы проходят сквозь электролит в отсек с воздухом, где вступают в реакцию с кислородом и выводятся из элемента в виде оксида натрия.

Оксид натрия активно реагирует с углекислым газом в атмосфере и после серии реакций превращается в бикарбонат — обычную пищевую соду. Таким образом, воздушно-натриевый топливный элемент не только вырабатывает энергию, но и связывает атмосферный CO₂, а попав в океаны, помогает раскислить их, снижая содержание растворённого углекислого газа. Ценность предложенной технологии для экологии очевидна, хотя до коммерциализации разработки, скорее всего, пройдёт не одна пятилетка.

«Мы ожидаем, что люди подумают, что это совершенно безумная идея, — поделился мыслями руководитель проекта. — Если бы они так не думали, я был бы немного разочарован, потому что если люди с самого начала не считают что-то совершенно безумным, то, скорее всего, это не будет чем-то революционным».

До конца года исследователи надеются создать прототип элемента питания размером с кирпич и ёмкостью до 1000 Вт·ч. В отличие от других подобных систем, новинка предусматривает заменяемый топливный блок с металлическим натрием. Для восстановления работы элемента с прежней мощностью и продолжительностью отдачи энергии будет достаточно заменить использованный блок на новый — это будет похоже на заправку обычного авиалайнера.

Поиски жизнеспособной альтернативы литийионным аккумуляторам ведутся уже не одно десятилетие, до фазы коммерческого производства подобные решения только начинают доходить, и натрий-ионные батареи можно считать одним из них. Они не боятся мороза и быстро заряжаются, не особо при этом нагреваясь. При разумной долговечности это делает их оптимальным выбором для коммерческой техники.

Источник изображения: Hina Battery

Основанная в 2017 году компания Hina Battery недавно представила в Китае свои натрий-ионные аккумуляторы Haixing, которые разделены на четыре серии. K150 и K210 ориентированы на электротранспорт с небольшим запасом хода, а K280 и K350 предназначены для сегмента логистики, где подразумеваются большие пробеги и интенсивная эксплуатация.

Натрий-ионные аккумуляторы Hina Battery обеспечивают плотность хранения заряда 165 Вт‧ч/кг, при этом они могут быть заряжены на 100 % за 20–25 минут, не особо нагреваясь в процессе. По сути, при использовании станций экспресс-зарядки с большой силой тока температура тягового аккумулятора повышается всего на 10 градусов Цельсия. Даже при условии регулярного использования только экспресс-зарядки, батареи способны выходить более 8000 циклов, а в диапазоне температур от минус 45 до плюс 45 градусов Цельсия они практически не меняют эксплуатационных показателей.

С февраля 2023 года натрий-ионные батареи Hina проходят испытания на прототипах электромобиля Sehol E10X, которые выпущены совместным предприятием JAC и Volkswagen. В январе прошлого года начался выпуск компактного электромобиля Yiwei 3, который также оснащается батареями этого типа. Такие аккумуляторы, по замыслу производителя, лучше всего оправдывают своё применение в сегменте коммерческого транспорта.

Шведский разработчик натрий-ионных батарей Altris предложил способ сделать безлитиевые батареи ещё более экологичными. В партнёрстве с Stora Enso разработана технология использования углерода, полученного из древесной целлюлозы, в качестве сырья для изготовления анодов. По утверждению разработчиков, созданный ими материал Lignode потенциально может стать самым экологичным сырьём для изготовления анодов в мире.

Источник изображений: Stora Enso

Лигнин, побочный продукт производства древесной массы, давно исследуется на предмет возможного использования в качестве более экологичного электродного материала. Финская компания по производству возобновляемых материалов Stora Enso в 2022 году начала поставки своего запатентованного материала Lignode шведскому производителю аккумуляторов Northvolt для использования в анодах литийионных аккумуляторов. Stora Enso описывает Lignode как твёрдый углеродный материал, получаемый в процессе очистки лигнина.

Натрий-ионные батареи устраняют потребность в редких минералах, таких как литий, кобальт и никель, используя значительно более распространённый натрий. Заменяя графит, обычно используемый в конструкции анодов, на Lignode, полученный из натуральных побочных продуктов, Altris и Stora Enso могут ещё больше снизить зависимость от китайского импорта, источника более 90 процентов графита в ЕС. Кроме того, аноды Lignode, по утверждению Stora Enso, обеспечивают более высокую скорость зарядки и разрядки.

Stora Enso владеет и арендует более 2 миллионов гектаров лесных земель. Компания перерабатывает древесную массу на своём заводе в Котке, Финляндия, уже более 80 лет, а с 2015 года извлекает лигнин в промышленных масштабах. В 2021 году она начала пилотное производство Lignode и сейчас работает над расширением производства до коммерческих масштабов. Поскольку от 20 до 30 процентов получаемого из древесины сырья представляет лигнин, это делает его широко доступным и легко возобновляемым ресурсом за счёт методов устойчивого лесопользования.

«Материалы на биологической основе являются ключом к повышению устойчивости аккумуляторных элементов, — заявил старший вице-президент Stora Enso Юусо Конттинен (Juuso Konttinen). — Поскольку Lignode потенциально может стать самым экологичным анодным материалом в мире, это партнёрство с Altris идеально согласуется с нашим общим обязательством поддерживать стремление к более устойчивой электрификации».

Новые аккумуляторные батареи Altris на сегодняшний день претендуют на звание самых экологичных в мире. Катоды новых батарей изготавливаются на основе «прусских белил» (PW), которые считаются одним из наиболее перспективных катодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов из-за больших каналов диффузии ионов, низкой деформации решётки, простоты изготовления, нетоксичности и низкой стоимости.

Altris пока не начала коммерческое производство новых аккумуляторов. В прошлом году компания продемонстрировала аккумулятор коммерческого размера с плотностью энергии 160 Вт·ч/кг, что соответствует литий-железо-фосфатным батареям (LFP), используемым в современных электромобилях. Компания планировала довести плотность энергии до 200 Вт·ч/кг. Ячейка была разработана в рамках исследовательского сотрудничества с Northvolt.

По данным китайской госкомпании China Southern Power Grid Energy Storage, 11 мая в стране начала функционировать первая промышленная станция хранения энергии, использующая натрий-ионные аккумуляторные батареи. Её построили в Наньнине, административном центре и крупнейшем городе Гуанси-Чжуанского автономного районе на юге Поднебесной.

Источник изображения: China Southern Power Grid Energy Storage

По данным источника, ёмкость станции на момент запуска составляет 10 мегаватт-часов, а после того, как будет завершены все этапы её расширения, этот показатель увеличится до 100 мегаватт-часов. В сообщении сказано, что на станции используются натрий-ионные элементы питания ёмкостью 210 А·ч каждый.

Отмечается, что зарядить такой аккумулятор до 90 % можно всего за 12 минут. В общей сложности в состав системы входит 22 тыс. элементов питания. Когда проект выйдет на полную мощность, станция будет отдавать ежегодно 73 тыс. мегаватт-часов энергии в год. Этого достаточно для обеспечения энергией 35 тыс. домохозяйств. При этом выбросы углекислого газа в атмосферу снизятся на 50 тыс. тонн в год.

По данным китайских специалистов, эффективность преобразования энергии в системе хранения на основе натрий-ионных аккумуляторов превышает 92 %. Это сопоставимо с аналогичным показателем традиционных систем хранения энергии на основе литий-ионных элементов, где показатель эффективности обычно составляет 85-95 %.

Отмечается, что к моменту организации крупномасштабных производств натрий-ионных аккумуляторов, цена таких элементов может снизиться на 20-30 %. Этому также будет способствовать дальнейшее совершенствование конструкции элементов питания, улучшение производственных процессов, используемых материалов и др. Конечная цель состоит в том, чтобы за счёт перераспределения максимально снизить стоимость электроэнергии для конечных потребителей.