5000 годин без потреби в підзарядці та без загрози займання: науковці розробили акумулятор нової ери.

Сучасна технологія пропонує альтернативу дефіцитному літію, замінюючи його на більш доступний натрій та впроваджуючи інноваційне "пластикове" ядро.

Інженери в Австралії створили натрієву батарею, яка пропрацювала понад 5000 годин під час лабораторних випробувань. У ній використовується тверде, схоже на пластик ядро замість легкозаймистої рідини, що робить всю систему набагато стійкішою до перегріву.

Прототип, розроблений в Університеті Квінсленда, призначений для акумуляторних станцій, що зберігають поновлювану енергію в мережі, пише Earth. Замінюючи дефіцитний літій на звичайний натрій (той самий, що в кухонній солі), розробка обіцяє зниження витрат і зменшення навантаження на ланцюжки поставок для багатьох країн.

Натрій знаходиться прямо під літієм у таблиці Менделєєва, але він більш поширений, і його легше добувати. Кілька дослідницьких груп стверджують, що батареї на основі натрію можуть скоротити витрати на матеріали для великих проєктів зі зберігання енергії.

Дослідженням керував доктор Чен Чжан з Австралійського інституту біоінженерії та нанотехнологій (AIBN), що належить до Університету Квінсленда.

Його дослідження зосереджені на твердотільних батареях, які поєднують більш безпечні електроліти з недорогими металами, такими як натрій. У традиційних натрій-металевих елементах використовуються рідкі електроліти, в яких часто ростуть дендрити - крихітні металеві шипи, що пронизують внутрішні шари батареї. Ці шипи можуть спричинити коротке замикання, призвести до втрати накопиченої енергії, а в гіршому випадку - до пожежі.

Всередині кожної батареї розташований електроліт – речовина, яка забезпечує переміщення заряджених іонів між двома електродами. "У більшості випадків у батареях використовується рідкий електроліт, але ці рідини здатні загорятися і можуть перегріватися", – зауважив доктор Чжан.

Тверді електроліти виступають замість рідинних, утворюючи міцний шар, що покращує безпеку і виключає потребу в громіздкій захисній упаковці. Раніші дослідження продемонстрували, що полімери на основі перфторполіефіру здатні забезпечувати стабільний циклічний процес для натрію при підвищених температурах.

Суть проблеми полягає в тому, що тверда речовина повинна володіти двома важливими властивостями: бути достатньо міцною, щоб перешкоджати росту металевих дендритів, і водночас мати високу проникність, щоб іони могли вільно переміщатися через неї. Багато з потенційних матеріалів або піддаються тріщинам під навантаженням, або настільки сильно сповільнюють іонний потік, що батарея стає занадто повільною ("млявою") для практичного застосування.

Команда з Квінсленда прийняла рішення щодо компромісу, переосмисливши електроліт на молекулярному рівні, замість того щоб просто змінити одну сіль на іншу. Їхня мета полягала в тому, щоб створити пластик, який міг би гнучко рухатися разом з електродами та водночас підтримувати організовані канали для переміщення натрію в його глибинах.

Новий матеріал являє собою блок-сополімер - довгий ланцюг, що складається з двох різних повторюваних сегментів, з'єднаних разом. Одна частина ланцюга захоплює іони натрію, а інша залишається слизькою і фторованою, щоб полімер не горів.

За умов належної обробки ланцюги формують об'ємно-центрований кубічний каркас — тривимірну конфігурацію з з'єднаними "кишенями" для іонів. Ці кишені взаємопов’язані тунелями, що забезпечує легкий рух іонів натрію з мінімальним опором, не дозволяючи при цьому дендритам проникати через них.

У повноцінних комірках з використанням катода з фосфату ванадію-натрію пристрій зберіг понад 91% своєї початкової ємності. Батарея утримувала цей рівень після 1000 циклів швидкого заряджання і розряджання за температури 176 градусів за Фаренгейтом (80°C) у випробувальній камері.

На відміну від багатьох літієвих батарей, натрій-металеві конструкції не вимагають кобальту або нікелю в катодах. Це знижує тиск на ланцюжки поставок, пов'язані із забрудненням довкілля і трудовими проблемами в певних гірничодобувних регіонах.

У енергетичних системах, які використовують сонячні панелі та вітрові турбіни, стаціонарні акумулятори відіграють важливу роль у вирівнюванні періодів зниження виробництва електроенергії. Акумуляторні блоки, що мають високу ємність і можуть працювати протягом тривалого часу, можуть бути розташовані в контейнероподібних установках на підстанціях та ефективно зберігати електричну енергію.

Оскільки натрій отримують із загальнодоступних джерел, як-от морська вода і кам'яна сіль, країни без запасів літію можуть реалізовувати великі проєкти з виробництва батарей. Така різноманітність матеріалів може зробити глобальну енергетичну систему менш вразливою до раптових сировинних шоків або заборон на експорт.

Лабораторні дослідження часто здійснюються при підвищених температурах, щоб активізувати рух іонів, проте реальні пристрої повинні демонструвати стабільну роботу в звичних кімнатних умовах. У статті, опублікованій в журналі Energy and Environmental Science, підкреслюється, що підтримка ефективності натрієвих акумуляторів в широкому температурному діапазоні залишається важливою перешкодою на шляху до їх комерційного впровадження.

"Для підтримки енергомережі необхідна така тривала продуктивність", - зазначив доктор Чжан. Що стосується прототипу з Квінсленда, наступним очевидним завданням є підвищення його ефективності при стандартній кімнатній температурі.

Щодо матеріалів, команда провела ряд експериментів з різними внутрішніми структурами, перш ніж обрати ту, що забезпечувала найгладше проведення натрію.

Якщо науковці зможуть поєднати ефективність, що працює при кімнатній температурі, з безпечністю та тривалістю, які вже підтверджені в лабораторних умовах, натрій-металеві акумулятори можуть стати основою масштабних ініціатив у сфері відновлювальної енергетики.

Цей зміщення зменшить навантаження на постачання літію, забезпечуючи стабільний потік чистої енергії після заходу сонця та в умовах безвітря.

Раніше УНІАН повідомляв, що вчені виявили породи, які діють як природні електростанції. Ці породи виробляють водень і поводяться як "реактори". Вони дають ключ до розуміння того, як працює хімія глибоководних океанів і як, можливо, мільярди років тому зародилося життя.

Також ми згадували, що науковці розробили інноваційну технологію "5D-пам'яті", здатну зберігати інформацію протягом десятків мільярдів років. Ця технологія вже перетворилася з лабораторних досліджень на щось, що наближається до практичного застосування.