Натрий-ионные аккумуляторы поставили рекорд ёмкости и долговечности

Короткоживущий, как до сих пор казалось, экспериментальный тип батарей достиг ресурса, пригодного для портативных электронных устройств. Благодаря высокой ёмкости он способен заметно удлинить время их работы от одной зарядки.

Исследователи из Сеульского национального университета (Южная Корея) во главе с Ён Ук Паком (Young-Uk Park) представили новую модификацию натрий-ионных батарей, обладающих весомыми преимуществами перед нынешними литий-ионными разработками.

Несмотря на бóльшую ёмкость, натриевые аккумуляторы обычно не рассматриваются как серьёзные игроки на рынке накопителей энергии. Дело в том, что диаметр иона натрия — 1,02 Å, а иона лития — 0,59 Å. Поскольку в процессе зарядки-разрядки ионы должны входить и выходить из удерживающих их структур аккумулятора, вдвое бóльшие ионы значительно сильнее «расшатывают» такие элементы и со временем разрушают их. Поэтому в норме натриевые батареи уже через 50 циклов зарядки-разрядки теряют свыше половины своей ёмкости. Такие накопители мало кому нужны, верно?

Общее устройство натрий-ионного аккумулятора (иллюстрация EMSL).

Но у них есть и несомненный плюс: ёмкость устройств на столь крупных ионах в теории намного выше, чем у литиевых, находящихся на конвейере сегодня. Быть может, с низкой живучестью всё же можно что-то сделать?

Группа Ён Ук Пака создала новый катод для натрий-ионных аккумуляторов, который содержит ванадиевые окислительно-восстановительные пары, предохраняющие систему от разрушения и в то же врем позволяющие иметь более высокую, чем обычно, ёмкость. По заявлениям разработчиков, новые аккумуляторы имеют до 600 Вт•ч на килограмм веса, что в 2,5–6 раз больше, чем у серийных литиевых батарей, присутствующих на рынке сегодня. Кстати, лучший предшествующий натриевый образец располагал лишь 520 Вт•ч/кг (на 13% меньше).

Что со стабильностью? После 100 циклов зарядки-разрядки ёмкость нового накопителя падает на 5%, однако после этого процесс деградации начинает резко замедляться, и через 500 циклов ёмкость снижается лишь до 84%. Более длительные циклы испытаний ещё только ждут новинку, но уже сейчас показатель сравним с цифрами литиевых батарей предыдущего поколения и во много раз больше, чем у натриевых предшественников. Для электромобилей, где нужно работать с частой зарядкой-разрядкой в течение, скажем, десятилетия, технология пока ещё не очень пригодна, хотя после доведения живучести до ума натрий-ионные батареи вполне способны совершить здесь настоящую революцию, наконец-то подарив нам доступные электромобили с дальностью хода во много сотен километров.

Сравнение нового катодного материала для натрий-ионных батарей с его предшественниками убедительно демонстрирует серьёзнейший прогресс, которого удалось добиться корейским материаловедам. (Иллюстрация Park, et al.)

Но ещё раньше нас с вами затронут более близкие перспективы. Натрий стоит почти в 30 раз меньше, и батареи из него будут куда дешевле литиевых. Причём ресурсы для его добычи есть везде: вспомните хотя бы обычную поваренную соль, то есть хлорид натрия. А вот литиевые соли почему-то встречаются реже, и самые концентрированные их запасы вообще находятся в Афганистане: поди добудь их...

Следовательно, аккумуляторы для лэптопов и смартфонов на этой основе имеют смысл уже сегодня: при такой ёмкости стандартный ноутбук проработает под большой нагрузкой в несколько раз дольше, а пропуск ежевечерней подзарядки «Айфона» наконец-то прекратит сниться вам в кошмарных снах.

Отчёт об исследовании опубликован в издании Journal of the American Chemical Society.

Подготовлено по материалам Phys.Org