Хіміки зробили натрій-іонний акумулятор, який працює нітрохи не гірше звичного нам літій-іонного.
Кілька років тому було висловлено припущення, що людству пора подумати про швидкий дефіцит, але тільки не про нафтогазовий, яким нас зазвичай лякають, а про дефіцит лужного металу - літію. У нашому житті стає все більше електронних пристроїв і всіляких гаджетів. І всі вони, від мобільного телефону до електромобіля, використовують електричну енергію, запасену в акумуляторах. Здебільшого це літій-іонні акумулятори. На сьогоднішній день це найпоширеніший тип акумуляторних батарей. І хоча в найближчому майбутньому нас навряд чи чекають війни за родовища літію, його вартість може зрости. А це означає, що пора подумати про більш дешевих акумуляторів, в яких використовувалися б інші елементи. Основні ставки розробники роблять на найближчого родича літію за періодичною системою - натрію, як набагато більш поширений і недорогий метал.
Чому не можна просто взяти і замінити в акумуляторі літій на натрій? Вся справа в атомних розмірах. Хоч літій і натрій дуже схожі за своїми хімічними властивостями, атом натрію істотно більше атома літію. І це виявляється критичним для роботи акумуляторної батареї. У літієвому акумуляторі є два електроди, один з яких зроблений з вуглецю або графіту, а інший з оксиду металу, наприклад, кобальту. Переносником заряду між електродами служать іони літію, чому, власне, їх називають літій-іонними акумуляторами. Під час підзарядки з метал-оксидного електрода вивільняються іони літію і рухаються до другого електроду, який зроблений з вуглецю. Розмір атомів літію такий, що вони можуть легко вбудовуватися всередину структури електрода. Цей процес називається інтеркаляція, під час якого іони металу «протискуються» між атомними шарами графіту. Під час розрядки відбувається зворотний процес - іони літію залишають графітний електрод і повертаються в другий електрод.
Ключовий момент цього електрохімічного процесу - якраз вбудовування іонів всередину електрода. Чим він швидше і легше проходить, тим більше може бути миттєва потужність. Якщо процес протікає повільно, акумулятор не зможе дати потрібний для роботи пристрою струм. З цим якраз пов'язані труднощі розробки натрій-іонного акумулятора. Вуглецевий електрод не підходить, тому що іони натрію через свій розмір вкрай неохоче вбудовуються в структуру графіту. Ось чому електрохіміки шукають такі матеріали для електродів, які були б придатні для роботи звичайної електронної техніки. Адже зробити акумулятор на іонах натрію можна, і він буде працювати, все питання в тому, що він не буде таким маленьким, ємним і потужним як літієвий. А адже саме потужність і розмір - це найголовніші параметри для мобільних пристроїв. Група дослідників, очолювана професором Юн Лей (Yong Lei) з Технічного університету Ільменау в Німеччині, придумала матеріал, з якого можна зробити електрод в натрій-іонному акумуляторі, так що він не буде поступатися літієвому за потужністю і ємністю.
Спочатку хіміки проаналізували, якими властивостями повинен володіти матеріал електрода, щоб забезпечити ефективне впровадження іонів натрію. Вибір припав на сполучені ароматичні сполуки класу транс-стільбенів. Вони мають здатність переносити заряд, стійкі при заряджанні і розряджанні акумулятора і утворюють міжмолекулярні шари, між яких з легкістю може впроваджуватися натрій. Хіміки перевірили, наскільки добре буде працювати електрод з такого матеріалу і виявилося, що при середній щільності струму в 1 А/г ємність складе 160 мАг/р, що нічим не поступається літій-іонним акумуляторам. Батарея також непогано впоралася з перевіркою на витривалість, зберігши 70% ємності після 400 циклів зарядки-розрядки. І хоча до комерційної реалізації проекту ще далеко, досягнуті результати говорять про те, що натрій-іонні акумулятори цілком мають право на життя і можуть в принципі замінити звичні вже Li-ion батареї.
Фото: Intel Free Press/Flickr,Hublera/Flickr
За матеріалами Phys.org.