Исследователи Техасского университета занимаются созданием натриевого анода в качестве альтернативы литию
Исследователи из Техасского университета (UT) в Остине (США) создали новый материал для анодов аккумуляторов на основе натрия. Он отличается высокой стабильностью и скоростью зарядки. По этим показателям он, как минимум, не уступает традиционным литий-ионным аккумуляторам. Известно, что анод из металлического натрия отличается образованием дендритов. Этот недостаток является общей проблемой стандартных анодов из натрия, поскольку может приводить к короткому замыканию и воспламенению.
Изображение: utexas.edu
Разработки натриевых аккумуляторов ведутся уже около 10 лет. Они интересны учёным по причине того, что могут в перспективе заменить дорогостоящие и редкие литий и кобальт, используемые в современных литий-ионных батареях. Натриевые АКБ могут стать более экологически чистой альтернативой литиевым. В более ранних образцах, которые смогли получить учёные, материал анода имел тенденцию к росту игольчатых нитей, называемых дендритами. Они приводили к короткому электрическому замыканию аккумулятора, а иногда даже к возгоранию. Недавно учёные из Техасского университета в городе Остин, заявили о том, что смогли решить проблему дендритов, а также добились скорости зарядки, у как литий-ионных аккумуляторов. Результаты своего исследования они опубликовали в журнале Advanced Materials.
Профессор кафедры машиностроения и лаборатории прикладных исследований в UT – Дэвид Митлин (David Mitlin), разработавший новый материал, сказал, что им удалось решить сразу две проблемы. Обычно при более высокой скорости зарядки увеличивается рост дендритов. Поэтому при подавлении роста дендритов можно увеличивать скорость заряда и разряда, говорит Митлин.
Профессор кафедры химии в UT – Грэм Хенкельман (Graeme Henkelman), принимавший участие в исследовании, отметил, что использовалась компьютерная модель для объяснения уникальных свойств материала с теоретической точки зрения. По его мнению, новый материал интересен тем, что получившийся анод из металлического натрия в теории имеет самую высокую энергетическую плотность среди натриевых анодов, полученных до сих пор.
Спрос на стационарные системы хранения энергии для домов, а также аккумуляторные системы, предназначенные для сглаживания перепадов солнечных и ветряных электростанций в сетях, постоянно увеличивается. Масштабная добыча лития для литий-ионных аккумуляторов постоянно подвергается критике из-за воздействия на окружающую среду. В процессе добычи интенсивно загрязняется почва, подземные воды и происходят выбросы парниковых газов. Кроме того, в литий-ионных аккумуляторах применяется кобальт, который стоит дорого и добывается в основном лишь в Демократической Республике Конго. Его добыча также сопровождается серьёзным отрицательным воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Добыча натрия (Na) значительно дешевле и не наносит такой ущерб экологии.
Дэвид Митлин довольно оптимистично настроен в отношении нового материала для анода. Кроме того, в UT Austin имеются и другие инновации в сфере Na аккумуляторов. Например, твердый электролит, который увеличивает возможность накопления энергии натриевыми аккумуляторами. В ближайшей перспективе, по его мнению, натриевые аккумуляторные батареи смогут удовлетворить растущий спрос на стационарные накопители энергии.
В процессе заряда аккумулятора ионы лития или натрия перемещаются от анода к катоду, при разрядке – в обратном направлении. Новый материал анода, разработанный исследователями, является интерметаллическим соединением теллурида сурьмы натрия и металлическим Na (NST-Na). Его изготавливают путем наматывания тонкого листа металлического натрия на порошок теллурида сурьмы. При этом лист накладывается на себя многократно. Митлин говорит, что это похоже на приготовление слоёного теста.
Такая технология изготовления способствует равномерному распределению атомов натрия. Это уменьшает вероятность образования дендритов или возникновения поверхностной коррозии по сравнению с аналогами, сделанными из металлического натрия. В результате аккумулятор показывает более стабильную работу и обеспечивает возможность быстрой зарядки, которая сравнима со скоростью заряда современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов. При этом полученные экземпляры имели более высокую энергоёмкость, чем у созданных до этого натрий-ионных аккумуляторных батарей.
Хенкельман утверждает, что если атомы натрия, переносящие заряд в натриевом аккумуляторе, связаны друг с другом сильнее, чем с анодом, то это приводит к нестабильности или сгусткам натрия. Последние притягивает большое количество атомов натрия. В итоге это приводит к образованию дендритов. Чтобы продемонстрировать, как отдельные атомы натрия взаимодействуют с новым композитным материалом NST-Na, Хенкельман использовал компьютерное моделирование. По его расчётам, композит связывает натрий сильнее, чем связь между ионами натрия. Благодаря этому атомы натрия равномерно распределяются по поверхности и образования нестабильностей или сгустков не происходит.
Два ведущих автора исследования Исянь Ван (Yixian Wang) и Хуэй Донг (Hui Dong) являются нынешним и бывшим аспирантами лаборатории Митлина. Они непосредственно занимались созданием нового материала. Коллеги Коллеги из Лос-Аламосской национальной лаборатории во главе с Джоном Ваттом (John Watt) определили его свойства его свойства. Среди других авторов исследования упоминаются Хунчан Хао (Hongchang Hao), Пэнчэн Лю (Pengcheng Liu) и Наман Катял (Naman Katyal) из UT Austin.
Митлин, Ван и Донг подали заявку на патент вместе с администрацией UT Austin на изготовление, функциональность и структуру нового анодного материала для натриевых аккумуляторов. Поддержку исследования осуществлял Национальный научный фонд и фонд Уэлча.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
