Създадоха първата в света натриева твърдотелна батерия без анод

Твърдотелна, натриева и безанодна – нова батерия обещава по-евтино и по-ефективно съхранение на възобновяемата енергия (снимка: CC0 Public Domain)

Научно-изследователска лаборатория е разработила първата в света натриева твърдотелна батерия без анод. Според екипа, проектирал акумулатора, това е приближаване с още една стъпка до евтините, бързо зареждащи се батерии с голям капацитет за електрически превозни средства и мрежово съхранение.

Чрез премахване на анода и използването на евтиния, изобилен натрий вместо литий, тази нова форма на батерия би следвало да е по-достъпна и екологична за производство. С иновативния си твърдотелен дизайн тя ще бъде безопасна и мощна, казват учените.

Създателите на новото чудо са изследователи от Лабораторията за съхранение и преобразуване на енергия на проф. Шърлей Менг в школата по молекулярен инженеринг „Прицкер“ при Университета в Чикаго и Катедрата по химическо и нано- инженерство на Калифорнийския университет в Сан Диего.

„Въпреки че и преди е имало натриеви, твърдотелни и безанодни батерии, никой не е успял да комбинира успешно тези три идеи в едно“, каза д-р Грейсън Дейшър, водещ автор на статия, представяща работата на екипа от университета в Сан Диего. Публикацията излезе в „Nature Energy“ в първите дни на юли.

„За да изпълним мисията за декарбонизиране на икономиката, ние се нуждаем от батерии за няколкостотин тераватчаса енергия. Имаме нужда от повече батерии и имаме нужда от тях бързо“, каза проф. Менг.

Устойчивост и натрий

Литият, който обикновено се използва за батерии, не е изобилен материал. В земната кора той съставлява около 20 части на милион – в сравнение с натрия, който съставлява 20 000 части на милион.

Този недостиг, съчетан със скока в търсенето на литиево-йонни батерии за лаптопи, телефони и електромобили, доведе до рязко покачване на цените на акумулаторните системи. Налице е и засилен интерес към експлоатацията на литиевите находища.

„Литиевият триъгълник“ на Чили, Аржентина и Боливия държи повече от 75% от световното предлагане на литий, но има и находища в Австралия, Северна Каролина и Невада. Това „дава преднина“ на някои, но също така създава и множество политическо-икономически конфликти.

Плюс това екстракцията на лития също е вредна за околната среда, независимо дали се прави чрез промишлени киселини, използвани за разграждане на минната руда, или чрез по-често срещания метод на екстракция чрез саламура, при която се изпомпват огромни количества вода на повърхността, за да изсъхне.

В същото време натрият е често срещан и по своята същност е по-екологичен материал за батерии.

Иновативна архитектура

За да създаде натриева батерия с енергийната плътност на литиева батерия, екипът е трябвало да изобрети нова архитектура на натриева батерия.

Традиционните батерии имат анод за съхранение на йоните, докато батерията се зарежда. Когато батерията се използва, йоните преминават от анода през електролит към катод, осигурявайки енергия за уредите.

Батериите без анод премахват анода и съхраняват йоните чрез електрохимично отлагане на алкален метал директно върху токоприемника (катода). Този подход позволява по-високо напрежение на клетката, по-ниска цена и повишена енергийна плътност, но носи свои собствени предизвикателства.

„Във всяка батерия без анод трябва да има добър контакт между електролита и токоприемника“, каза Дейшер. „Това обикновено е много лесно, когато се използва течен електролит, тъй като течността може да тече навсякъде и да намокри всяка повърхност. Твърдият електролит не може да направи това“.

Тези течни електролити обаче създават натрупвания, като същевременно консумират постоянно активните материали, намалявайки полезността на батерията с течение на времето. Тогава какво може да се направи?

Екипът предприел нов, иновативен подход към този проблем. Вместо да използват течен електролит, който заобикаля катода, те създали катод, който заобикаля електролита. За целта учените са избрали алуминиев прах.

Прахът се уплътнява под високо налягане, за да образува твърд катод, като същевременно поддържа подобен на течност контакт с електролита, което позволява евтино и високоефективно зареждане и разреждане.

„Натриевите твърдотелни батерии обикновено се разглеждат като технология на далечното бъдеще – но ние се надяваме, че тази разработка може да окаже по-голям натиск в областта батериите, като демонстрира, че „далечната“ технология наистина може да работи добре още днес – дори по-добре от литиевите“, каза Дейшер.