Противоинтуитивный прорыв в химии батарей
На протяжении многих лет производители батарей относились к воде как к врагу. Процессы производства перезаряжаемых батарей обычно включают тщательную сушку материалов электродов при высоких температурах для устранения любых следов влаги. Теперь исследователи Университета Суррея опровергли это предположение открытием, которое может изменить экономику хранения энергии в масштабе сети.
Команда обнаружила, что сохранение молекул воды внутри материала катода батарей на основе ионов натрия почти удваивает их емкость хранения энергии по сравнению с обезвоженными версиями того же материала. Результаты, опубликованные в Journal of Materials Chemistry A, предполагают, что стандартный подход промышленности к производству батарей, возможно, упустил значительные улучшения производительности.
"Материал продемонстрировал намного более сильную производительность и стабильность, чем ожидалось", сказал ведущий исследователь Дэниел Коммендер из Университета Суррея. Открытие открывает многообещающий путь для батарей на основе ионов натрия, которые долгое время не могли соответствовать плотности энергии своих литий-ионных аналогов, несмотря на наличие привлекательных преимуществ в стоимости и устойчивости.
Как вода улучшает производительность батарей на основе ионов натрия
Механизм улучшения элегантно прост. Катоды в исследовании были изготовлены из наноструктурированного ванадата гидрата или NVOH. Когда молекулы воды остаются встроенными в кристаллическую структуру материала, они вызывают небольшое расширение слоев в катоде. Это расширенное пространство создает дополнительное место для ионов натрия, которые перемещаются во время циклов зарядки и разрядки.
Представьте себе расширение проходов на складе. С большим пространством для движения ионы натрия могут течь более свободно и в больших количествах, позволяя катоду принимать и отдавать больше заряда за цикл. Молекулы воды по сути действуют как структурные опоры, поддерживая открытую слоистую архитектуру катода и предотвращая его коллапс во время повторных циклов.
Тестовые батареи, построенные из гидратированного материала катода, сохраняли стабильность более 400 циклов зарядки, демонстрируя, что вода не разлагает и не дестабилизирует электрод с течением времени. Материал NVOH теперь считается одним из лучших материалов катода для батарей на основе ионов натрия, класс технологии, которую исследователи и промышленность все чаще рассматривают как дополнение к литий-ионным для приложений стационарного хранения.
Почему батареи на основе ионов натрия важны
Литий-ионные батареи доминируют на рынке перезаряжаемых батарей по уважительной причине. Они упаковывают огромное количество энергии в небольшой, легкий пакет, что делает их идеальными для смартфонов, ноутбуков и электромобилей. Но литий имеет свои недостатки. Элемент сконцентрирован в нескольких странах, его добыча требует огромного количества воды, и геополитические осложнения цепочек поставок лития стали растущей проблемой для правительств и производителей.
Натрий, напротив, является одним из самых распространенных элементов на Земле. Его можно извлекать из морской воды по цене, во много раз ниже, чем добыча лития, а батареи на основе ионов натрия, как правило, безопаснее в эксплуатации, с более низким риском теплового разноса и пожара. Эти преимущества делают технологию батарей на основе ионов натрия особенно привлекательной для крупномасштабного хранения в сети, где вес и размер менее критичны, чем стоимость, безопасность и устойчивость цепочки поставок.
Улов всегда был в плотности энергии. Батареи на основе ионов натрия хранят значительно меньше энергии на единицу веса или объема, чем литий-ионные элементы, ограничивая их практическое применение. Открытие команды из Суррея, почти удвоив емкость катода, делает значительный шаг к преодолению этого разрыва.
Бонусное открытие: потенциал опреснения
В неожиданном повороте исследователи также обнаружили, что их гидратированный материал катода эффективно работает как электрод для опреснения. При использовании в установке электрохимического опреснения материал NVOH может удалять соль из воды, одновременно накапливая энергию. Эта двойная функция поднимает соблазнительную возможность батарейных систем, которые можно было бы интегрировать с опреснительными установками в прибрежных сообществах, производя как накопленную энергию, так и пресную воду из морской воды.
Хотя такие приложения остаются спекулятивными, результат намекает на более широкий потенциал материала помимо обычного батарейного использования. В регионах, где как чистая вода, так и надежное накопление энергии являются насущными потребностями, технология, которая одновременно решает обе задачи, может оказаться трансформационной.
Путь к коммерциализации
Непосредственные последствия открытия наиболее значительны для растущей промышленности батарей на основе ионов натрия. Компании в Китае, включая CATL и HiNa Battery, уже начали коммерческое производство ячеек на основе ионов натрия для электромобилей и хранения в сети. Если подход гидратированного катода можно масштабировать и интегрировать в существующие производственные процессы, это может существенно улучшить конкурентоспособность технологии батарей на основе ионов натрия в сравнении с литий-ионными альтернативами.
Простота подхода особенно обнадеживает. Вместо того, чтобы требовать экзотических новых материалов или сложных производственных методов, улучшение достигается за счет того, что делается меньше, в частности путем пропуска энергоемкого этапа сушки, который является стандартной практикой в производстве катодов. Это может привести как к лучшей производительности, так и к снижению производственных затрат, редкой комбинации в исследованиях батарей.
Поскольку мир спешит построить инфраструктуру хранения энергии, необходимую для поддержки сетей возобновляемой энергии, доступные и масштабируемые батарейные технологии будут критически важны. Работа команды из Суррея предполагает, что ответ на вопрос о лучших батареях, возможно, был все это время перед глазами, в воде, которую производители так тщательно удаляли.
Эта статья основана на отчетах New Atlas. Прочитайте исходную статью.
