Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы
Литий-ионные электронакопители сегодня можно встретить везде — они получили весьма широкое распространение среди масс. Такие изделия устраивают многих пользователей, однако технический прогресс не стоит на месте и рано или поздно, всенародно любимый литий-ион таки придётся чем-то заменять. Вариантов скажем так не мало и все они естественно имеют как свои преимущества перед Li-ion, так и недостатки.
Одним из самых многообещающих кандидатов на место наследника является натрий-ионный (Na-ion) накопитель, о котором собственно, мы и будем говорить в данной теме.
Содержание:
- Развитие Na-ion.
- Проблемы с натрий-ионом.
- Идеальный «чудо-аккумулятор».
- Перспективы Na-ion батарей.
Развитие Na-ion
Реально, переход на новые разновидности источников питания назрел уже давно. Чтобы прогрессировать в различных сферах, особенно это касается автомобильной промышленности, нужны недорогостоящие и ёмкие электронакопители, а вот литий прибавляет в цене с каждым годом и вдобавок, вещество химически весьма активно и пожароопасно.
По результатам исследований учёные сделали выводы, что натриевые АКБ могут заменить Li-ion который сегодня используется в электронных девайсах и некоторых типах электрокаров. Но здесь акцент стоит сделать на том, что электроды должны быть выполнены именно из железа. Железо, а также натрий имеют широкое распространение в природе, поэтому если пустить их в ход, то себестоимость продукции снизится, а плотность энергии останется на уровне Li-ion накопителей.
В ноябре 2017 года французы из Electrochemical Energy Storage представили усовершенствованный Na-ion электроаккумулятор форм-фактора 18650, с напряжением 3,5 V и ёмкостью 90 Вт*ч/кг. Также устройство предлагает 2000 рабочих циклов без значительной потери ёмкости, по времени, это приблизительно 10 лет эксплуатации.
В 2019 году огромная натрий-ионная АКБ обладающая мощностью 100 кВт-ч была испытана китайскими учёными. Внушительных размеров батарея имеет в своём составе более чем 600 соединённых Na-ion аккумуляторных компонентов и отвечает за питание здания исследовательского центра.
Проблемы с натрий-ионом
Отличная идея, заменить натрием литий в производстве аккумуляторных батарей, однако не всё так просто оказалось с этой затеей. Всё дело застряло на размерах атомов элементов: как оказалось, атом лития во много раз меньше атома натрия, поэтому первый непринуждённо влезет туда, куда второй не поместится. Электрод будет просто не в состоянии аккумулировать ионы натрия. Именно это обстоятельство и стало камнем преткновения в обсуждаемой технологии.
Na-ion всё ещё пребывает в стадии разработки и профессора трудятся над продлением срока его эксплуатации, снижением времени зарядки и более высокой мощностью. Сегодня акцент сделан на усовершенствованиях конструкций Na-ion электробатарей, а конкретно, на выборе оптимальной структуры электрода и нахождении экологически безвредных материалов.
Идеальный «чудо-аккумулятор»
Такого изделия на данный момент нет в природе и не предвидится в ближайшее время. В основе источника питания лежит электрохимический процесс, поэтому приходится принимать во внимание ограничения плотности мощности и непродолжительный срок эксплуатации. Пользователи желают получить в своё распоряжение неиссякаемый запас энергии заключённый в скромном объёме, который должен быть доступным по цене, чистым и не опасным для окружающих.
За последние 150 лет аккумуляторные батареи совершенствовались не так интенсивно, как другие технологии. Современные серийные электронакопители держат относительно немного энергии, они громоздкие и служат не так долго, как хотелось бы.
Перспективы Na-ion батарей
В принципе, запасов лития на нашей планете ещё достаточно много, но ему будет тяжело покрыть нарастающий спрос на дешёвые источники энергии. Поэтому разработчики уже сейчас ищут более дешёвые альтернативы Li-ion АКБ.
Весьма перспективным направлением является Na-ion технология. Натрий на планете можно обнаружить практически везде и что самое главное, он будет обходиться намного дешевле лития. К примеру, вещество в больших объёмах содержится в морской воде и его можно легко извлекать оттуда, а можно и из поваренной соли.
Na-ion обладает практически теми же энергетическими характеристиками, что и литий-ион, однако натрий приблизительно в сотню раз дешевле лития! Также, весомым плюсом натрий-иона является то, что они могут безвредно разряжаться в ноль. Это делает их транспортировку и хранение более безопасными.
Натрий-ионные электронакопители функционируют по той же схеме, что и Li-ion изделия. Натрий так же эффективно теряет электроны и весьма приемлем для создания анода. Но у Na-ion имеет место существенный минус — весьма продолжительное время заряда и разряда. Такие девайсы берут и отдают слишком низкий ток, которого недостаточно для приведения в движение автомобильного электромотора.
Как уже было сказано выше, исследователи столкнулись с проблемой в виде слишком больших размеров ионов натрия, но всё же им удалось обойти это препятствие. Из-за того, что ионы натрия на 25% больше литиевых, они перемещаются не спешно и с затруднениями встраиваются в структуру электродов. Другая химическая активность и увеличенные атомы натрия обуславливают изменение устройства АКБ. Чтобы Na-ion мог иметь такой же показатель плотности энергии как у Li-ion, анод натриевого накопителя энергии должен удерживать большее число ионов.
Коллектив японских учёных под руководством Шиничи Комаба, разработал специальный материал, путём смешивания оксида железа, оксида натрия и оксида марганца. Этот порошок поместили в капсулу и нагревали двенадцать часов при температуре 900 градусов.
Ёмкость произведённой батареи — 190 мА•ч на 1 г при среднем напряжении 2,75 V. Катод можно изготовить из углерода либо диоксида титана и поднять тем самым напряжение до 3 V. Приблизительно такой показатель напряжения может дать пара батареек AA.
В распоряжении источника питания электроды, собранные из большого количества слоёв, а между ними солидный зазор, по которому словно по автобану и будут в ускоренном режиме передвигаться не малых размеров ионы натрия. Такая схема даёт возможность живей вводить электроны в решётку электродов и также быстро извлекать их оттуда. Новый электронакопитель демонстрирует высокую производительность: плотность тока в тысячу раз больше, чем у большинства других Na-ion источников энергии.
Это устройство обладает большой ёмкостью при максимальных токах: 72 мА·ч/г. При промежуточных значениях плотности тока (1 А/г), новое изобретение демонстрирует весьма шикарную ёмкость — до 160 мА·ч/г. Такой показатель сравним с лучшими Li-ion АКБ. Продолжительность жизни натрий-ионных электронакопителей также не подкачала: большое количество рабочих циклов при удержании 70% ёмкости. Говоря другими словами, машине оборудованной электротягой, с пробегом на одном заряде 200 километров, Na-ion АКБ прослужит 5-10 лет без значительного снижения характеристик.
Ещё одними преимуществом Na-ion является то обстоятельство, что они не имеют нужды в кобальте, который всё ещё нужен для Li-ion АКБ. Кроме того, натрий-ионные накопители энергии могут выпускаться на тех же производственных мощностях, что и литий-ионная продукция.
В то же время, изготовление Na-ion АКБ небольших размеров, может быть сложной задачей. Однако и крупные электронакопители могут быть полезны. К примеру, их можно использовать в сохранении ветровой либо солнечной энергии, здесь натрий-ион является идеальной кандидатурой.
Также, для Na-ion был создан новый твёрдый электролит в основе которого бороводороды. Применяя его, учёные из Швейцарии создали полностью твёрдый и стабильный источник питания с напряжением 3 V.
Заключение
Как видим, альтернативы литий-иону разрабатываются постоянно, но на данный момент сложно сказать, какая именно разновидность АКБ потеснит его на рынке в дальнейшем. Натрий-ион без сомнений, является достойным претендентом на это место, но, он ещё не имеет требуемых характеристик. Естественно, работы по его усовершенствованию ведутся и вряд ли разработчики занимающиеся развитием этой технологии упустят шанс выделиться на рынке.
Ну а нам остаётся только ждать, когда в продаже появятся Na-ion элементы с характеристиками литий-иона и сказочными ценниками при этом.
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
