Фото: freepik
В начале августа Сколтех отчитался об успешной разработке нового материала для натрий-ионных аккумуляторов, который на 15% повышает их энергоёмкость. Мы решили разобраться с преимуществами новинки, особенностями натрий-ионных аккумуляторов и их возможностью использования в автоиндустрии.
Принцип работы аккумулятора и зачем там натрий
Аккумулятор можно представить в виде двух комнат: первая комната минусовая (катод), вторая — плюсовая (анод). В привычном литий-ионном аккумуляторе электроны хранят ионы лития, которые в состоянии покоя отдыхают в «плюсовой комнате», то есть аноде.
Как только пришло время отдавать электроны, ионы лития перебегают в другую комнату — катод. Но входить туда с лишними электронами нельзя, поэтому они их отдают по пути. Именно так аккумулятор питает что-либо.
Во время зарядки литий-ионных батарей энергия подаётся в аккумулятор и заставляет ионы лития забирать электроны себе. Но мы же помним, что в катод заходить с ними нельзя, поэтому ионы возвращаются в анод, где и хранится излишек электронов.
Различие между натрий-ионными аккумуляторами и литий-ионными заключается в том, что у первых между комнатами бегают ионы натрия, а не лития. А это влияет на стоимость и характеристики изделия. Натрия на нашей планете много, а цены на литий постоянно растут. Но добиться схожей производительности от натрий-ионных аккумуляторов пока не получалось. Но ключевое слово здесь «пока»...
Что получилось у российских учёных
Исследователи из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и МГУ разработали новый материал (фторфосфат NaVPO4F) для «минусовой комнаты», катода. Он вмещает больше ионов натрия, значит, больше ионов сможет уйти из анода и каждый из них отдаст электроны. В цифрах прирост по ёмкости такого аккумулятора составляет от 10 до 15 процентов по сравнению с предыдущими лидерами в сегменте натрий-ионных аккумуляторов.
Фото: Сколтех
Сравнимо ли это с литий-ионными аккумуляторами?
Чтобы сравнить потенциал разработки с известными литий-ионными аккумуляторами, мы обратились за комментарием к соавтору исследования — профессору Сколтеха Станиславу Федотову. Он рассказал, что литий-ионные батареи бывают разных типов и обычно они способны выдавать от 100 до 250 Вт в час на каждый килограмм своего веса. Профессор Федотов считает, что данный показатель у натрий-ионных аккумуляторов в среднем будет всегда отставать, но это не мешает применять такие аккумуляторы там, где требования к массе и размеру аккумулятора не очень жёсткие. Например, для стационарного питания или в крупном электротранспорте.
Станислав Федотов. Фото: Сколтех
Уже сейчас можно достичь показателей 140–150 Вт∙ч/кг с новым материалом. Это много, но не предел: реально получить и 200 Вт∙ч/кг, однако это влияет на срок службы, допустимые условия эксплуатации и характеристики аккумулятора: энергоёмкость (запас энергии до полного разряда) и мощность (количество энергии, которое аккумулятор отдаёт за единицу времени).
Сравнить срок службы и скорость зарядки пока можно только теоретически. Да и это будет зависеть от других характеристик аккумулятора. Но, по мнению профессора, натрий-ионные аккумуляторы можно сделать более мощными, что связано с лучшими характеристиками ионов натрия, по сравнению с ионами лития.
Когда ждать появления натрий-ионных аккумуляторов
В мире уже есть коммерческие образцы натрий-ионных аккумуляторов и некоторые примеры их использования в технике. Например, производитель батарей для автомобилей Tesla ещё год назад представил гибридный аккумулятор с комбинацией ячеек на базе натрия и лития.
Сейчас эта технология недоступна массовому потребителю, но разработки продолжаются. Британский производитель AMTE Power почти закончил проект по созданию натрий-ионных аккумуляторов для вычислительных центров и других систем стационарного хранения.
«Если говорить про Россию, то мелкосерийное производство, например, стартерных аккумуляторов для автомобилей, можно было бы развернуть и наладить менее чем за 5 лет при наличии финансировании», — говорит Федотов.
