Натриевые твердотельные батареи: будущее энергетики

Современные аккумуляторные технологии, от портативной электроники до электромобилей, сталкиваются с рядом ограничений: высокая стоимость, пожароопасность и зависимость от редких материалов. Исследователи из Университета Западного Онтарио работают над перспективной альтернативой – натриевыми твердотельными батареями.

«Большинство используемых сегодня батарей содержат легковоспламеняющиеся жидкие электролиты и редкие элементы, такие как литий», — отмечает доктор Янг Чжао, профессор кафедры механической и материаловедческой инженерии Университета Западного Онтарио. «Натрий гораздо более распространен и дешев. Если мы сможем использовать его в твердотельном исполнении электролита, это позволит создавать более доступные, безопасные и долговечные аккумуляторы».

Твердотельные электролиты приходят на смену жидким, повышая безопасность и потенциально увеличивая плотность энергии, что означает более длительное время работы устройств от одной зарядки. Однако обеспечение быстрой и надежной проводимости ионов натрия через твердые материалы оказалось сложной научной задачей.

Команда доктора Чжао разработала новый материал, содержащий серу и хлор. В то время как традиционные электролиты обладают химической стабильностью, они плохо проводят ионы натрия. Добавление серы в новую разработку улучшает проводимость, облегчая перемещение ионов по структуре, и одновременно повышает общую прочность материала. Результаты исследования опубликованы в журналах Advanced Functional Materials и Advanced Materials.

Помимо высокой проводимости ионов натрия, разработанный материал демонстрирует отличную термическую и механическую стабильность. Это крайне важно для батарей, которые должны выдерживать многочисленные циклы зарядки-разрядки и надежно работать в широком диапазоне температур. В отличие от многих других твердотельных разработок, новый материал не деградирует при контакте с другими компонентами батареи.

Для изучения движения ионов внутри твердотельного электролита исследователи использовали мощные рентгеновские установки Канадского источника синхротронного излучения (CLS) в Университете Саскачевана.

«Эти рентгеновские инструменты позволяют нам анализировать локальное химическое окружение, пути движения ионов и структуры связей так, как это невозможно с помощью обычных лабораторных приборов», — пояснил доктор Чжао. «Они абсолютно необходимы для разработки материалов для твердотельных батарей».

Хотя массовое коммерческое применение твердотельных батарей, вероятно, еще впереди, доктор Чжао настроен оптимистично: «Мы добиваемся реального прогресса в создании более безопасных и экономически эффективных аккумуляторов».