На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке благодаря высокой плотности энергии, но их производство сопряжено с серьезными экологическими проблемами. Добыча лития дорога, вредна для природы, а сами батареи склонны к перегреву и плохо работают при низких температурах.
Ученые «забыли» удалить воду и получили лучшие в мире натрий-ионные батареи
Исследователи из Университета Суррея совершили прорыв в области натрий-ионных аккумуляторов, разработав новый метод создания катодов на основе гидратированного ванадата натрия. Им удалось почти вдвое увеличить емкость хранения энергии, оставив молекулы воды в структуре материала. Они пошли на риск, поскольку в классической химии аккумуляторов вода считается злейшим врагом. Но ученые показали, что в данном случае вода не только не вредит, но значительно улучшает характеристики батареи, делая ее реальной альтернативой литий-ионным аккумуляторам.
Натрий-ионные батареи, подобные тем, что изображены на этом генеративном изображении, становятся более безопасной и экологичной альтернативой литий-ионным технологиям. https://newatlas.com/ ChatGPT
Вода — враг или друг? В классической химии аккумуляторов вода считается «врагом», вызывающим коррозию или нежелательные реакции. Но в данном случае речь идет о кристаллогидрате. Представьте катод как слоеный пирог. Без воды слои плотно прижаты друг к другу, и крупным ионам натрия (которые больше ионов лития) трудно протиснуться между ними. Молекулы воды работают как «распорки», увеличивая межслойное расстояние. Это не только облегчает диффузию ионов, но и снижает механическое напряжение в материале при зарядке, что напрямую продлевает срок службы батареи и увеличивает ее емкость.
Натрий-ионные аккумуляторы уже есть, но они пока сильно уступают литий-ионным.
В этом контексте натрий-ионные технологии выглядят крайне перспективно: натрий дешев, повсеместно доступен и безопасен. Традиционно такие батареи уступали литиевым в мощности и были более тяжелыми, но британские ученые нашли способ преодолеть этот барьер, используя наноструктурированный гидрат ванадата (NVOH). Вопреки устоявшемуся мнению о необходимости полного обезвоживания материала, команда сохранила в нем «лишнюю» влагу.
Секрет производительности
Результаты экспериментов оказались неожиданными: материал показал высокую стабильность на протяжении более 400 циклов зарядки. Причина успеха кроется в том, что молекулы воды внутри катода заставляют его слои немного раздвигаться. Это создает дополнительное пространство, позволяя ионам натрия перемещаться гораздо свободнее и скапливаться в большем количестве. Работа опубликована в журнале Journal of Materials Chemistry A.
Схема работы натрий-ионных батарей.
Как отметил ведущий автор исследования Даниэль Коммандер: «Наши результаты были совершенно неожиданными. Оксид натрия-ванадия известен давно, и обычно его подвергают термической обработке для удаления воды, так как считается, что она создает проблемы. Мы решили оспорить это предположение, и результат оказался намного лучше, чем мы ожидали».
Благодаря этому открытию NVOH теперь занимает лидирующие позиции среди материалов для катодов, открывая путь к созданию дешевых и эффективных систем хранения энергии.