Смертельная ловушка лития: новые твердотельные натрий-ионные батареи покажут, как сильно мы ошибались

Кажется, мы слишком долго мирились с опасными недостатками современной техники. Ученые заявили о настоящем прорыве в области хранения энергии. Они разработали технологию, которая способна кардинально повысить безопасность электромобилей и стабилизировать энергосети.

Речь идет о твердотельных натрий-ионных (Na-ion) аккумуляторах. Исследователи уверены, что эта разработка однажды дополнит, а затем и вовсе заменит вездесущие литий-ионные (Li-ion) батареи, которые сегодня стоят практически в каждом гаджете.

Новинка обещает не только повышенную безопасность, но и снижение затрат на производство. Правда, есть одно «но»: инженерам еще предстоит придумать, как производить такие батареи в промышленных масштабах. Также им нужно добиться того, чтобы аккумуляторы жили достаточно долго. Результаты своей работы команда опубликовала сразу в двух авторитетных научных журналах.

Видео от DGL.RU

Почему литий — это проблема

Литий-ионные батареи сегодня доминируют на рынке. Вы найдете их везде: от смартфона в вашей руке до электромобиля в гараже. Однако у этой технологии есть фатальный недостаток, который называют «тепловым разгоном».

Это происходит, когда внутри батареи случается короткое замыкание или она получает физическое повреждение. Внутри ячеек запускается цепная реакция, которую невозможно остановить. Температура мгновенно растет, что приводит к печальным последствиям.

Коммерческие Li-ion аккумуляторы обычно содержат жидкие органические электролиты. Этот компонент необходим, чтобы батарея держала заряд и эффективно отдавала энергию. Проблема в том, что эти жидкости крайне легко воспламеняются. Если батарею повредить, она может загореться или даже взорваться.

Натрий меняет правила игры

Натрий-ионные батареи могут стать тем самым спасательным кругом, который так нужен индустрии. Они содержат более стабильные материалы катода. Кроме того, у ионов натрия электрохимический потенциал ниже, чем у лития. Это значит, что они гораздо меньше склонны к перегреву и самовозгоранию.

Однако не все так гладко. Главный минус натриевых батарей — низкая плотность энергии. Если сравнивать их с литиевыми аналогами, то натриевые работают меньше времени от одной зарядки.

Есть и вторая беда: натрий-ионные аккумуляторы быстрее деградируют. Срок их службы пока оставляет желать лучшего. Именно эти два фактора исторически мешали натрию вытеснить литий и стать массовым стандартом.

Секретный ингредиент

В новом исследовании ученые пошли другим путем. Они создали твердый материал, который содержит серу и хлор. Этот состав проводит ток так же хорошо, как жидкие электролиты, но при этом обеспечивает превосходную стабильность.

Результаты тестов впечатляют. Новая батарея показала кулоновскую эффективность на уровне 99,26% после 600 циклов зарядки. Это уже очень близко к показателям, которые демонстрируют современные литиевые батареи (более 99%).

Профессор Ян Чжао с факультета машиностроения и материаловедения Университета Западного Онтарио объяснил суть открытия:

Мы заменили жидкий электролит в батарее на твердотельный. Он абсолютно негорючий.

Чтобы подтвердить свои выводы, команда использовала мощнейшее оборудование — синхротрон. С помощью рентгеновских лучей они смогли заглянуть внутрь твердого электролита и отследить движение ионов. Обычные лабораторные инструменты на такое просто не способны.

Глобальные изменения

Авторы разработки уверены, что их технология поможет натрий-ионным батареям завоевать мир. В первую очередь это касается критически важных сфер, где сейчас используют нестабильные литий-ионные элементы.

Следующий шаг для ученых — найти идеальный баланс между безопасностью и плотностью энергии. А затем им придется разработать метод производства, который позволит выпускать такие батареи миллионными тиражами. Спрос на аккумуляторы в мире сейчас колоссальный.

Несмотря на то что литий-ионные батареи занимают около 70% рынка, их используют в основном в узком кругу задач. По данным Международного энергетического агентства, более 90% спроса на литий приходится именно на энергетический сектор.

Сейчас к системам хранения энергии приковано особое внимание. После серии пожаров на крупных объектах в Калифорнии регуляторы требуют устанавливать дорогие системы пожаротушения. Натрий-ионные батареи могли бы снять эти вопросы и ускорить переход на возобновляемую энергетику. Такие хранилища могли бы накапливать энергию ветра или солнца и отдавать ее в сеть по требованию.

Поскольку натрия в природе гораздо больше, чем лития, массовый переход на новую технологию может обрушить цены на аккумуляторы. Это сделает конечные устройства намного дешевле.

Еще один жирный плюс — экология. Натрий-ионные батареи гораздо проще перерабатывать. В них меньше опасных материалов и нет тяжелых металлов.

Крупные игроки уже почуяли ветер перемен. Китайский гигант CATL (крупнейший в мире производитель батарей) уже заявил о массовом выпуске натрий-ионных аккумуляторов на новой платформе. Ожидается, что они появятся в автомобилях уже в 2026 году. Другой автогигант, компания BYD, также активно разрабатывает натриевые решения для промышленных хранилищ энергии.

Рисковый литий: новое месторождение может изменить мир технологий — но есть проблема