Твердотельные аккумуляторы считаются одним из главных направлений развития энергетики: они безопаснее, долговечнее и способны хранить больше энергии для электромобилей, электроники и энергетических сетей. Однако большинство таких технологий завязаны на литии — дорогом, дефицитном и экологически проблемном элементе.
Альтернативой становится натрий, который значительно дешевле и доступнее. Недавнее исследование ученых из Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME) показало, что натриевые твердотельные батареи могут работать не только при комнатной температуре, но и при минусовых значениях. Это открывает новые перспективы для коммерческого применения технологии.
В чем суть открытия
Главное достижение исследователей связано с разработкой нового твердого электролита на основе натриево-боргидридного соединения. Команда смогла стабилизировать метастабильную структуру материала, обладающую рекордной ионной проводимостью — на порядок выше известных аналогов и в десятки раз выше исходного вещества.
Для этого применили методику быстрого охлаждения: нагретый материал довели до стадии кристаллизации, а затем мгновенно охладили, «заморозив» нужную форму кристаллов. Такой подход хорошо известен в других областях, но впервые использован для создания твердых электролитов. По словам авторов, это упрощает масштабирование технологии и делает ее более привлекательной для промышленности.
Толстые катоды и высокая плотность энергии
Еще одним новшеством стала разработка катодов с большой толщиной и высокой загрузкой активного вещества. Их покрыли хлоридным твердым электролитом, что позволило снизить долю «балластных» компонентов и увеличить удельную энергоемкость.
Чем толще катод, тем больше энергии можно накопить на единицу площади. Таким образом, натриевые батареи приближаются к литиевым по эффективности, сохраняя при этом преимущество в себестоимости и экологичности.
Перспективы технологии
По словам профессора Ю. Ширли Менг из UChicago PME, будущее энергетики не сводится к выбору между литием и натрием — обе технологии будут сосуществовать. В идеале крупные заводы смогут выпускать аккумуляторы на базе разных химических систем, в зависимости от задач и рынков.
Хотя до массового внедрения еще предстоит пройти долгий путь, новая работа дает натриевым твердотельным батареям реальный шанс занять место рядом с литиевыми.
Исследование опубликовано в журнале Joule.
