Дослідники з Лабораторії зберігання та перетворення енергії професора Чиказького університету Ширлі Менг створили першу безанодну натрієву твердотільну батарею.
Розробляючи цю батарею, LESC — спільна ініціатива Школи молекулярної інженерії Прітцкера Університету Чикаго та Департаменту хімічної та наноінженерії родини Айісо Юфенг Лі Каліфорнійського університету в Сан-Дієго — наблизила реальність недорогих, швидко заряджаючихся батарей великої ємності для електромобілів та мережевих накопичувачів енергії як ніколи раніше.
«Хоча раніше вже існували натрієві, твердотільні та безанодні акумулятори, досі нікому не вдавалося успішно поєднати ці три ідеї», — сказав аспірант Каліфорнійського університету в Сан-Дієго Грейсон Дейшер, перший автор нової статті, в якій викладено результати дослідження.
Досягнення в галузі сталої енергетики
Нещодавно опублікована в журналі Nature Energy, стаття розкриває нову архітектуру натрієвої батареї зі стабільною роботою протягом декількох сотень циклів. Видалення анода та використання недорогого натрію замість літію зробить цю нову форму батареї більш доступною та екологічно чистою у виробництві. Завдяки своїй інноваційній твердотільній конструкції, батарея також буде безпечною та потужною.
Ця робота є як науковим досягненням, так і необхідним кроком, щоб заповнити прогалину в масштабуванні акумуляторів, необхідну для переходу світової економіки від викопного палива. «Щоб забезпечити роботу Сполучених Штатів протягом однієї години, ми повинні виробляти одну тераватт-годину енергії», — сказав Мен. «Щоб виконати нашу місію з декарбонізації економіки, нам потрібно кілька сотень терават-годин акумуляторів. Нам потрібно більше батарей, і нам потрібно їх швидко».
Перевага натрію над літієм
Літій, який зазвичай використовується для акумуляторів, є дефіцитним. Його вміст у земній корі становить близько 20 частин на мільйон, тоді як натрію — 20 000 частин на мільйон. Цей дефіцит у поєднанні зі стрімким зростанням попиту на літій-іонні акумулятори для ноутбуків, телефонів та електромобілів призвів до різкого зростання цін, що зробило необхідні батареї ще більш недоступними.
Поклади літію також сконцентровані. У «літієвому трикутнику» Чилі, Аргентини та Болівії зосереджено понад 75% світових запасів літію, інші родовища знаходяться в Австралії, Північній Кароліні та Неваді. Це дає перевагу одним країнам над іншими в декарбонізації, необхідній для боротьби зі зміною клімату.
«Глобальні дії вимагають спільної роботи для отримання доступу до критично важливих матеріалів», — сказав Мен.
Видобуток літію також завдає шкоди навколишньому середовищу, чи то з промислових кислот, які використовуються для розщеплення руди, чи то з більш поширеного видобутку розсолу, який викачує величезні обсяги води на поверхню для висушування. Натрій, який міститься в океанській воді та видобутку кальцинованої соди, за своєю природою є більш екологічно чистим матеріалом для акумуляторів. Дослідження LESC зробили його ще й потужним.
Нові архітектурні інновації
Щоб створити натрієву батарею з щільністю енергії літієвої батареї, команді потрібно було винайти нову архітектуру натрієвої батареї. Традиційні батареї мають анод для зберігання іонів під час заряджання акумулятора. Під час використання батареї іони течуть від анода через електроліт до струмоприймача (катода), живлячи по дорозі прилади та автомобілі.
В безанодних батареях анод знімається, а іони зберігаються на електрохімічному осадженні лужного металу безпосередньо на струмоприймачі. Такий підхід дозволяє підвищити напругу, знизити вартість елемента та збільшити щільність енергії, але має свої недоліки.
«У будь-якій безанодній батареї повинен бути хороший контакт між електролітом і струмоприймачем, — каже Дейшер. «Зазвичай це дуже легко зробити при використанні рідкого електроліту, оскільки рідина може протікати скрізь і змочувати кожну поверхню. Твердий електроліт не може цього зробити».
Однак рідкі електроліти створюють так звану інтерфазу твердого електроліту, яка постійно споживає активні матеріали, зменшуючи з часом корисність батареї.
Нові підходи та перспективи на майбутнє
Команда застосувала новий, інноваційний підхід до вирішення цієї проблеми. Замість того, щоб використовувати електроліт, який оточує струмоприймач, вони створили струмоприймач, який оточує електроліт. Вони створили свій струмоприймач з алюмінієвого порошку, твердої речовини, яка може текти як рідина.
Під час складання батареї порошок ущільнювали під високим тиском, щоб сформувати твердий струмоприймач, зберігаючи при цьому рідинний контакт з електролітом, що уможливило недорогий і високоефективний циклічний процес, який може просунути цю революційну технологію вперед.
«Натрієві твердотільні акумулятори зазвичай розглядаються як технологія далекого майбутнього, але ми сподіваємося, що ця стаття може активізувати розвиток натрієвих батарей, продемонструвавши, що вони дійсно можуть працювати добре, а в деяких випадках навіть краще, ніж літієві», — сказав Дейшер.