Технологічні тренди
Натрій-іонний акумулятор: новий тренд майбутнього електромобілів
19 липня 2021 року
Поділитися:
Передісторія
Вартість акумулятора електромобіля
Чому електромобілям потрібні кращі акумулятори
Електромобілі, особливо ті, що використовують відновлювану енергію для виробництва електроенергії, розглядаються як майбутня модель, яка допоможе захистити глобальний клімат. Але роками виробники автомобілів використовували рідкісний та відносно дорогий літій у технології акумуляторів, що уповільнювало темпи масового впровадження електромобілів у всьому світі.
Хоча електромобілі, комерційні транспортні засоби та електровелосипеди переживають повний розквіт, їх використання все ще обмежене. Високі ціни, громіздкі зарядні станції та процес виробництва акумуляторів, який споживає велику кількість сировини, перешкоджають швидкому розвитку електромобілів.
Щоб зробити електромобілі широко доступними, виробники автомобілів повинні впроваджувати акумулятори, які є потужнішими, довговічнішими, екологічнішими та доступнішими.
Натрій замість літію
Порівняння матеріалів
Натрій замість літію
Натрій-іонні акумулятори можуть бути життєздатним варіантом, і останні розробки в галузі натрій-іонних акумуляторів були напрочуд прогресивними. У найближчому майбутньому натрій-іонні акумулятори можуть замінити літієві акумулятори, що використовуються в електромобілях, смартфонах або ноутбуках.
Літій та натрій, два лужні метали, мають дуже схожі хімічні властивості. Хоча натрій має нижчу щільність енергії порівняно з рідкіснішим літієм, натрій легше отримати, і він буде відносно недорогим.
Перспективні прориви
Прогрес у створенні прототипу
Перспективні прориви
Продуктивність натрій-іонних акумуляторів все ще приблизно на 20 років відстає від літієвих. Причина полягає в тому, що дослідники протягом останнього десятиліття або близько того зосереджувалися лише на розробці літієвих акумуляторів з кращою продуктивністю.
Сьогодні існують не лише новаторські наукові публікації, а й перспективні прототипи. Згідно зі звітом, опублікованим у травні, натрій-іонний акумулятор із Південної Кореї витримав близько 500 повних циклів заряджання, перш ніж його ємність знизилася до 80 відсотків початкової.
Інший акумулятор, розроблений американо-китайською дослідницькою групою, може виконати близько 450 зарядок при такій самій ємності. Натрій-іонний акумулятор китайського виробництва має меншу ємність, але після 1200 швидких 12-хвилинних зарядок він все ще має 70% своєї ємності.
Це може здатися не дуже великим показником, але на практиці ці акумулятори можуть витримувати більшу кількість перезаряджень, оскільки вони зазвичай не перезаряджаються після повної розрядки у повсякденному житті. Повне розрядження та перезаряджання акумулятора в експерименті призводить до більшого зносу.
Літій, металевий елемент, є рідкіснішим і дорожчим, але більшість сучасних технологій акумуляторів використовують літієві батареї. На початковому рисунку показано країни з провідними запасами літію у 2019 році.
Крім того, натрій-іонна технологія не вимагає використання дефіцитних ресурсів. Для виготовлення катодів не потрібні рідкісні солі літію, достатньо кухонної солі. Високопродуктивні аноди можна виготовляти з бурого вугілля, деревини та іншої біомаси. Кобальт або подібні рідкісні речовини не потрібні у виробничому процесі.
Фундаментальні дослідження
Графен та іони натрію
Прорив у фундаментальних дослідженнях?
Натрій має два недоліки: він важить утричі більше, ніж літій, тому, хоча літієві батареї складають менше 5% від загальної ваги батареї, батарея з іонами натрію все одно важитиме більше, ніж літієва батарея.
Крім того, продуктивність натрієвих акумуляторів слабша. Оскільки іони натрію переносять 0.3 вольт менше, ніж у літієвих батареях, відбувається неминуча втрата приблизно 10 % щільності енергії. Найголовніше, що графітові аноди сучасних батарей не дозволяють утримувати достатню кількість натрію.
Згідно зі звітом, опублікованим німецько-російською робочою групою під керівництвом Центру наукових досліджень імені Гельмгольца (HZDR) у Дрездені, Німеччина, нановуглець може допомогти вирішити цю проблему. У звіті зазначається, що використання надтонкого вуглецевого матеріалу, двошарового графену, може зберігати більше іонів натрію в аноді, ніж графіт.
Якщо графенові електроди можна буде встановлювати в літієві батареї в майбутньому, замінюючи поширені сьогодні графітові аноди, це може значно збільшити ємність батареї.
Крашенінков, фізик з HZDR, порівняв це з тим, як помістити маленьку кульку між двома аркушами паперу: якщо продовжувати додавати маленькі кульки між папером, папір буде розсовуватися далі, а проміжок між двома аркушами збільшуватиметься.
Сумісна технологія
Багатошарова структура
Сумісна технологія?
Якщо багатошарова структура для літієвих батарей працює, чи застосовується вона також до інших лужних металів, таких як натрій? Команда дослідників з Дрездена, Штутгарта та Москви сподівається з'ясувати це за допомогою складного суперкомп'ютерного моделювання.
Оскільки прототипи натрій-іонних акумуляторів досі не працювали належним чином, оскільки натрій ледве може проникати в графітовий анод, комп'ютерні розрахунки показують, що натрій, як і літій, може бути вбудований між шарами графену в багатошарову структуру.
У майбутньому, якщо в натрій-іонних батареях замість сучасних графітових анодів будуть встановлені графенові електроди, можна досягти більшої ємності зберігання.
Результати цих досліджень можуть забезпечити прорив у розробці недорогих натрієвих акумуляторів. Крашенінков зазначив, що робота є суто теоретичною і не рекомендує розробку нового покоління акумуляторів у найближчому майбутньому лише на основі результатів дослідження, але вона може запропонувати інженерам цікаві нові ідеї.
Батареї майбутнього
Перспективи на майбутнє
Батареї майбутнього
На щастя, натрій-іонний акумулятор — це вже не просто теоретична концепція. Прорив у суміжних технологіях, схоже, вже близько.
Останні дослідження показують, що вже існують практичні, доступні та ресурсоефективні альтернативи дорогим літієвим батареям, і вони можуть навіть покращити їхню продуктивність завдяки багатошаровим структурам.
Звичайно, знадобиться деякий час, перш ніж технологія натрій-іонних акумуляторів буде готова до масового виробництва та використання в електромобілях або мобільних телефонах. Але як тільки час настане, не повинно виникнути особливих проблем із переходом виробничої лінії з літієвих акумуляторів на натрій-іонні, оскільки технологія є відносно схожою.
