Технологични тенденции
Натриево-йонна батерия: новата тенденция на бъдещето на електрическите превозни средства
юли 19, 2021
Споделяне:
Предистория
Цена на батерията на електрически превозни средства
Защо електрическите превозни средства се нуждаят от по-добри батерии
Електрическите превозни средства, особено тези, които използват възобновяема енергия за производство на електроенергия, се разглеждат като бъдещ модел, който ще помогне за опазването на климата в световен мащаб. Но от години производителите на автомобили използват рядък и сравнително скъп литий в батериите си, забавяйки темпото на масово приемане на електрически превозни средства в световен мащаб.
Въпреки че електрическите автомобили, търговските превозни средства и електрическите велосипеди са в разгара си, те все още са ограничени в употреба. Високите цени, тромавите зарядни станции и процесът на производство на батерии, който консумира големи количества суровини, възпрепятстват бързото развитие на електрическите превозни средства.
За да направят електрическите превозни средства широко достъпни, производителите на автомобили трябва да въведат батерии, които са по-мощни, издръжливи, устойчиви и достъпни.
Натрий вместо литий
Сравнение на материалите
Натрий вместо литий
Натриево-йонните батерии може да са жизнеспособна опция, а последните разработки в областта на натриево-йонните батерии са изненадващо прогресивни. В обозримо бъдеще натриево-йонните батерии може да са в състояние да заменят литиевите батерии, използвани в електрически превозни средства, смартфони или лаптопи.
Литият и натрият, два алкални метала, имат много сходни химични свойства. Въпреки че натрият има по-ниска енергийна плътност в сравнение с по-редкия литий, натрият е по-лесен за получаване и ще бъде сравнително евтин.
Обещаващи пробиви
Напредък на прототипа
Обещаващи пробиви
Производителността на натриево-йонните батерии все още е с около 20 години зад тази на литиевите батерии. Причината е, че през последното десетилетие изследователите са се фокусирали само върху разработването на по-добри характеристики на литиевите батерии.
Днес има не само новаторски научни публикации, но и много перспективни прототипи. Според доклад, публикуван през май, натриево-йонна батерия, разработена в Южна Корея, е преминала през около 500 цикъла на пълно зареждане, преди капацитетът ѝ да падне до 80 процента от първоначалния си капацитет.
Друга батерия, разработена от изследователски екип между САЩ и Китай, може да завърши около 450 презареждания със същия капацитет. Произведена в Китай натриево-йонна батерия има по-малък капацитет, но след 1200 бързи 12-минутни зареждания, тя все още има 70% от капацитета си.
Може да не звучи много, но на практика тези батерии може да са в състояние да издържат на по-голям брой презареждания, тъй като обикновено не се презареждат, след като са били изтощени в ежедневието. Пълното разреждане и презареждане на батерията в експеримента води до по-голямо износване на батерията.
Металният елемент литий е по-рядък и скъп, но повечето съвременни технологии за батерии използват литиеви батерии. Оригиналната фигура показва страните с най-големи запаси от литий през 2019 г.
Освен това, натриево-йонната технология не изисква използването на оскъдни ресурси. За производството на катоди не са необходими редки литиеви соли, тъй като готварската сол е достатъчна. Високопроизводителни аноди могат да бъдат направени от лигнитни въглища, дървесина и друга биомаса. Кобалт или подобни редки вещества не са необходими в производствения процес.
Фундаментални изследвания
Графен и натриеви йони
Пробив във фундаменталните изследвания?
Натрият има два недостатъка: тежи три пъти повече от лития, така че въпреки че литиевите батерии съдържат по-малко от 5% от общото тегло на батерията, батерия с натриеви йони все пак би тежила повече от литиева батерия.
Освен това, производителността на натриевите батерии е по-слаба. Тъй като натриевите йони носят с 0,3 волта по-малко напрежение от литиевите батерии, неизбежно се губи около 10% енергийна плътност. Най-важното е, че графитните аноди на съвременните батерии не позволяват задържането на достатъчно натрий.
Според доклад, публикуван от немско-руска работна група, ръководена от Центъра за научни изследвания „Хелмхолц“ (HZDR) в Дрезден, Германия, нановъглеродът може да помогне за подобряване на този проблем. В доклада се отбелязва, че използването на ултратънък въглероден материал, двуслоен графен, може да съхранява повече натриеви йони в анода, отколкото графитът.
Ако графеновите електроди могат да бъдат инсталирани в литиеви батерии в бъдеще, замествайки днес често използваните графитни аноди, може да е възможно значително да се увеличи капацитетът на батериите.
Крашенинков, физик в HZDR, го сравни с поставянето на малка топка между два листа хартия: ако продължавате да добавяте малки топки между хартията, хартията ще се раздалечава все повече и разстоянието между двата листа ще се увеличава.
Съвместима технология
Многослойна структура
Съвместима технология?
Ако многослойната структура за литиеви батерии работи, важи ли тя и за други алкални метали като натрий? Екип от учени от Дрезден, Щутгарт и Москва се надява да разбере това, използвайки сложни суперкомпютърни симулации.
Тъй като прототипите на натриево-йонните батерии досега не са работили добре, тъй като натрият едва може да проникне в графитния анод, компютърните изчисления показват, че натрият, подобно на лития, може да бъде вграден между графеновите слоеве в многослойна структура.
В бъдеще, ако графеновите електроди бъдат инсталирани в натриево-йонните батерии вместо днешните графитни аноди, може да се постигне по-висок капацитет за съхранение.
Резултатите от тези изследвания могат да осигурят пробив в разработването на евтини натриеви батерии. Крашенинков заяви, че работата е чисто теоретична и не се застъпва за разработването на ново поколение батерии в обозримо бъдеще, основано само на резултатите от изследването, но може да предостави интересни нови идеи за инженерите.
Батерии на бъдещето
Бъдещи перспективи
Батерии на бъдещето
За щастие, натриево-йонната батерия вече не е просто теоретична концепция. Пробив в свързаните технологии изглежда е наблизо.
Последните открития показват, че вече съществуват практични, достъпни и ресурсоефективни алтернативи на скъпите литиеви батерии и те дори могат да подобрят производителността им чрез многослойни структури.
Със сигурност ще отнеме известно време, преди технологията на натриево-йонните батерии да е готова за масово производство и употреба в електрически превозни средства или мобилни телефони. Но щом времето назрее, не би трябвало да има голям проблем с преминаването на производствената линия от литиеви батерии към натриево-йонни батерии, тъй като технологията е сравнително подобна.
