Специалисты компании BAM занимаются разработкой технологии анодов к натрий-ионным аккумуляторам

Натрий-ионные аккумуляторы считаются экологически чистой и перспективной альтернативой аккумуляторам. Однако их развитию препятствуют высокие потери при хранении во время первого цикла зарядки. Чтобы избавиться от этого недостатка Исследователи из Федерального института исследований и испытаний материалов Германии (BAM) занимаются разработкой новой конструкцией анода. Новый анод должен существенно увеличить эффективность аккумулятора и повысить его ёмкость.

Первый процесс зарядки аккумуляторного элемента на производстве называют формированием. Он является критически важным этапом производства, поскольку оказывает серьёзное влияние на будущие свойства элемента. Во время формирования на поверхности анода образуются пограничные слои, которые являются результатом продукта реакции электролита и материала анода. Данные слои требуются для протекания электрохимических процессов во время циклов заряда-разряда.

Как поясняют специалисты BAM, во время формирования происходит разложение молекул электролита на твёрдом углеродном аноде и они проникают в его поры. Происходит заполнение пустых пространств, предназначенных для хранения ионов натрия. Процесс останавливается после образования стабильной защитной пленки на поверхности анода. Данная плёнка защищает анод от дальнейшего разложения под действием электролита. При этом она сама потребляет часть запасаемой энергии, поскольку в её составе имеются ионы натрия.

Этот пограничный слой выступает в роли защитной плёнки. Он связывает ионы натрия, которые переносят заряд внутри аккумулятора. В литий-ионных аккумуляторах, которые используются сейчас, это не является серьёзной проблемой, поскольку анод в них производится из плотного графита. В результате, защитный слой там формируется легче. Поэтому без дополнительного вмешательства литий-ионный аккумулятор достигает уровня КПД 90%. Но натрий не может храниться в графитовом аноде. Поэтому здесь используются твёрдые углероды. Они подходят по всем параметрам, но имеют недостаток в виде процесса первой зарядки.

Тим-Патрик Феллингер, эксперт BAM по энергетическим материалам, отметил, что большие ёмкости хранения и эффективное формирование плёнки внутри натрий-ионных аккумуляторах нельзя достичь с использованием одного материала. Это объясняется тем, что материалы, которые лучше подходят для хранения, подвержены потерям при формировании пленки.

Чтобы преодолеть эти недостатки, специалисты BAM разработали новую конструкцию, в состав которой входят ядро и оболочка. Ядро представляет собой губчатую углеродную структуру. Она покрывается сверхтонким слоем, который выступает в роли фильтра. Слой пропускает необходимые ионы натрия для обеспечения только проводимости, но при этом он предотвращает контакт молекул электролита с углеродным ядром. В результате сохраняется ёмкость анода и аккумулятор сохраняет свои характеристики на протяжении многих циклов зарядки.

В качестве дополнительного преимущества называется то, что новый материал основан на экологически чистом и недорогом материале — активированном угле. Это делает технологию более экономически выгодной.

Разработанные в ходе этого исследования материалы обеспечивали начальную эффективность в 82%, по сравнению с 18% без покрытия. В BAM говорят, что технологию можно улучшить. Дальнейшую разработку анодного материала будут проводить в Берлинской лаборатории батарей (BBL). Это лаборатория была создана в результате сотрудничества Берлинского центра имени Гельмгольца, BAM и Берлинского университета имени Гумбольдта. Как отмечает один из исследователей, Пол Аппель, до настоящего времени прогресс в области аккумуляторов достигался в основном за счёт инноваций в материалах на катодной стороне. Теперь же здесь достигнут теоретический предел. С анодными материалами пока не ясно, где находится эти пределы и какие ещё можно предложить инновации в разработке материалов анода. Поэтому здесь есть возможность экспериментов и улучшения результатов.