Бурное развитие мобильных электрических устройств — от телефонов до автомобилей — подстегнуло мировой спрос на аккумуляторы. По сочетанию цены, емкости и надежности лидерами стали литиевые батареи, которые непрерывно улучшают свои характеристики — цена хранения киловатт-часа электричества с 2010 по 2018 год упала с 1160 до 176 долларов США. По прогнозу аналитиков Bloomberg, к 2030 году этот показатель может упасть еще почти втрое, хотя и спрос на батареи должен многократно вырасти. К 2040 году электромобили могут составлять треть всего мирового автопарка, всем им потребуются мощные батареи и, возможно, лития от существующих рудников просто не хватит. Промышленных месторождений этого металла в мире относительно немного, так что ученые и инженеры ищут альтернативные решения.
Читайте также: Подключите зарядное устройство. Индустрия литий-ионных аккумуляторов почти достигла предела своих возможностей. Почему? И что дальше?
Литий используется в аккумуляторах за счет своей способности сравнительно легко отдавать электроны в ходе химической реакции. Все его конкуренты должны иметь те же свойства, и одним из таких кандидатов на замену лития является натрий. Первые натриевые батареи созданы достаточно давно, но их срок службы оказывался слишком мал: при зарядке и разряде в аккумуляторах распухали и трескались хрупкие электроды, да и химическая активность металла приводила к порче используемого электролита на основе серы. О готовности начать производство натриевых аккумуляторов заявляли, например, французские инженеры в 2017-м, но емкость их батареи составляла всего 90 ватт-часов на килограмм массы, в то время как литиевые аккумуляторы превышают этот показатель минимум вдвое.
В 2018 году группа американских исследователей под руководством Яна Яо ( 姚燕) показала, что защитить электрод от растрескивания можно, сделав его гибким. А в новой публикации эти же ученые сообщили, что нашли решение и проблемы с деградацией электролита. Для этого они добавили в гибкий полимерный электрод вещество под названием пирен-тетраон — в результате материал стал удерживать вдвое больше ионов натрия и позволил понизить рабочее напряжение до тех значений, когда электролит перестал портиться при активной эксплуатации. Разработчики утверждают, что по емкости и числу циклов заряда их детище сравнялось с литиевыми аккумуляторами — прототип выдал 587 ватт-часов на килограмм массы (большинство коммерческих решений сейчас вдвое хуже) и продержался 500 циклов без существенного ухудшения параметров.
Алексей Тимошенко