Физичен ефект, описан преди близо 270 години, може да даде тласък на развитието на по-евтини и по-устойчиви батерии. Изследователи от Индия, Великобритания и Австралия показват, че т.нар. ефект на Лайденфрост може да се използва не само като любопитен лабораторен феномен, а като индустриален инструмент за производство на катодни материали за натриево-йонни батерии. Резултатите подсказват реална алтернатива на литиево-йонната доминация в енергийното съхранение.
През XVIII век германският учен Йохан Гьотлоб Лайденфрост описва странно поведение на водни капки върху силно нагорещен метал. Капките буквално „танцуват“ по повърхността. Причината е образуването на тънък слой пара, който ги изолира и им позволява да се плъзгат без директен контакт – явление, останало в историята като ефекта на Лайденфрост.
Днес същият принцип стои зад вездесъщото „незалепващо“ поведение на добре нагорещен стоманен тиган. Този ефект може да се прилага при синтеза на катоден материал за натриево-йонни батерии, сочи ново изследване.
Разработката, публикувана в Small, е дело на учени от индийския Институт „Бопал“ , индийския Технологичен институт „Гандинагар“, Университета Сванзее и Университета на Южен Куинсланд. Фокусът е върху стабилност и дълъг живот на батериите. Целта е ясна – да се преодолеят ограниченията на лития като скъп и сравнително ограничен ресурс.
Литиево-йонните батерии захранват смартфони, лаптопи и електромобили по цял свят. Но литият е скъп за добиване. Натрият, от своя страна, е широко разпространен елемент, наличен в морската вода и солта, което го прави атрактивен за мащабни системи за съхранение на възобновяема енергия.
Проблемът с натрия обаче е в по-големия йонен радиус. Тежките натриеви йони натоварват катода и ускоряват деградацията му.
Съвместният научен екип разработва катоден материал на базата на железен фосфат с триизмерна тунелна структура, позволяваща движение на йоните. Концепцията е описана като „атомна магистрала“.
Чрез замяна на едва 1% от железните атоми с индий учените разширяват междуатомните разстояния, без да променят основната кристална архитектура. Това улеснява придвижването на натриевите йони и подобрява електропроводимостта.
Паралелно с химичната оптимизация е въведена и нова производствена техника. Разтворът с изходните съединения се разпръсква върху силно нагорещена метална повърхност, където се задейства ефектът на Лайденфрост.
Капките мигновено се изпаряват, формират порести частици и се превръщат в прах без нужда от продължително изпичане в енергоемки пещи. Методът е бърз и по-екологичен. Получените частици имат гъбеста структура, която улеснява проникването на електролита и движението на натриевите йони.
Измервания и компютърни симулации показват, че добавянето на индий понижава енергийните бариери за транспорт на заряд и запазва кристалната структура стабилна при многократно зареждане и разреждане.
Оптимизираният катод достига енергийна плътност около 359 Wh/kg и демонстрира стабилност при над 10 000 цикъла. За сравнение, батериите в потребителската електроника обикновено издържат няколкостотин цикъла.
Тези параметри правят технологията особено привлекателна за стационарни системи за съхранение на енергия от слънце и вятър. Индустриално внедряване на подобни натриево-йонни батерии би означавало по-достъпно мрежово съхранение и по-малка зависимост от глобалните вериги за доставки на литий.
Изследователите подчертават, че комбинацията от прецизна атомна модификация и мащабируем синтетичен процес може да отвори нова страница в развитието на алтернативните батерийни технологии.
