Хотя литий-ионные аккумуляторы стали технологией, которая используется во всем, от смартфонов и ноутбуков до электромобилей, растет беспокойство о будущем, поскольку литий относительно редок, дорог и его трудно добывать, и вскоре он может оказаться под угрозой из-за геополитических соображений. Ученые по всему миру работают над созданием жизнеспособных альтернатив.
Международная группа междисциплинарных исследователей, включая исследовательскую лабораторию Canepa при Хьюстонском университете, разработала новый тип материала для натрий-ионных аккумуляторов , который может сделать их более эффективными и повысить их энергоэффективность, прокладывая путь к более устойчивому и доступному энергетическому будущему.
Результаты опубликованы в журнале Nature Materials.
Новый материал , фосфат натрия ванадия с химической формулой Na x V 2 (PO 4 ) 3 , улучшает производительность натрий-ионных аккумуляторов за счет увеличения плотности энергии (количества энергии, запасенной на килограмм) более чем на 15%. С более высокой плотностью энергии 458 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг) по сравнению с 396 Вт·ч/кг в старых натрий-ионных аккумуляторах, этот материал приближает натриевую технологию к конкуренции с литий-ионными аккумуляторами .
«Натрий почти в 50 раз дешевле лития и может даже добываться из морской воды, что делает его гораздо более экологичным вариантом для крупномасштабного хранения энергии», — сказал Пьеремануэле Канепа, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники имени Роберта Уэлча в Хьюстонском университете и ведущий научный сотрудник лаборатории Канепы.
«Натрий-ионные аккумуляторы могут быть дешевле и проще в производстве, что поможет снизить зависимость от лития и сделает технологию производства аккумуляторов более доступной во всем мире».
От теории к реальности
Лаборатория Canepa, которая использует теоретические знания и вычислительные методы для открытия новых материалов и молекул, чтобы помочь продвижению технологий чистой энергии, сотрудничала с исследовательскими группами во главе с французскими исследователями Кристианом Маскелье и Лоренс Крогеннек из Laboratoire de Reáctivité et de Chimie des Solides, которая является частью лаборатории CNRS в Университете Пикардии имени Жюля Верна в Амьене, Франция, и Институтом химии конденсированных материалов в Бордо, Университет Бордо, Бордо, Франция, для экспериментальной работы над проектом. Это позволило провести экспериментальную проверку теоретического моделирования.
Исследователи создали прототип батареи с использованием нового материала Na x V 2 (PO 4 ) 3 , продемонстрировавшего значительные улучшения в хранении энергии. Na x V 2 (PO 4 ) 3 , входящий в группу, называемую «Na-суперионные проводники» или NaSICON, предназначен для того, чтобы ионы натрия могли плавно перемещаться в батарею и из нее во время зарядки и разрядки.
В отличие от существующих материалов, он имеет уникальный способ обработки натрия, что позволяет ему работать как однофазная система. Это означает, что он остается стабильным при высвобождении или поглощении ионов натрия. Это позволяет NaSICON оставаться стабильным во время зарядки и разрядки, обеспечивая при этом постоянное напряжение 3,7 вольта по сравнению с металлическим натрием, что выше 3,37 вольта в существующих материалах.
Хотя эта разница может показаться незначительной, она значительно увеличивает плотность энергии батареи или то, сколько энергии она может хранить для своего веса. Ключом к ее эффективности является ванадий, который может существовать в нескольких стабильных состояниях, что позволяет ей удерживать и высвобождать больше энергии.
«Непрерывное изменение напряжения — это ключевая особенность», — сказал Канепа. «Это означает, что батарея может работать более эффективно, не ставя под угрозу стабильность электродов. Это меняет правила игры для натрий-ионной технологии».
Возможности для устойчивого будущего
Последствия этой работы выходят за рамки натрий-ионных аккумуляторов. Метод синтеза, используемый для создания Na x V 2 (PO 4 ) 3 , может быть применен к другим материалам с похожей химией, открывая новые возможности для передовых технологий хранения энергии. Это, в свою очередь, может повлиять на все: от более доступных, устойчивых аккумуляторов до питания наших устройств, чтобы помочь нам перейти к более чистой энергетической экономике.
«Наша цель — найти чистые, устойчивые решения для хранения энергии», — сказал Канепа. «Этот материал показывает, что натрий-ионные батареи могут удовлетворять высоким энергетическим требованиям современных технологий, будучи при этом экономически эффективными и экологически чистыми».
Большую часть работы над этим проектом выполнили Цзылян Ван, бывший студент Канепы, а ныне научный сотрудник Северо-Западного университета, и Сункю Пак, бывший студент французских исследователей, а ныне штатный инженер Samsung SDI в Южной Корее.