Прорив у сфері недорогих екологічно чистих швидкозарядних батарей.

Лабораторія зберігання та перетворення енергії професора Ширлі Менґ з Чиказького університету створює першу в світі безанодну натрієву твердотільну батарею – прорив у сфері недорогих екологічно чистих швидкозарядних батарей.

Лабораторія зберігання та перетворення енергії професора Ширлі Менґ з Прітцкерської школи молекулярної інженерії Чиказького університету створила першу в світі безанодну натрієву твердотільну батарею.

Завдяки цьому дослідженню LESC – співпраця між Школою молекулярної інженерії Прітцкера в Чикаго та факультетом хімічної та наноінженерії імені Айісо Юфенґ Лі Каліфорнійського університету в Сан-Дієґо – як ніколи раніше наблизила реальність створення недорогих акумуляторів великої ємності, що швидко заряджаються, для електромобілів та мережевих накопичувачів енергії.

"Хоча раніше вже існували натрієві, твердотільні та безанодні акумулятори, досі нікому не вдавалося успішно поєднати ці три ідеї", – каже аспірант Каліфорнійського університету в Сан-Дієґо Ґрейсон Дейшер, перший автор нової статті, що описує роботу команди.

Стаття, опублікована в журналі Nature Energy, описує нову архітектуру натрієвого акумулятора зі стабільною циклічністю впродовж декількох сотень циклів. Завдяки вилученню анода та використанню недорогого натрію замість літію ця нова модель батареї стане більш доступною та екологічно чистою у виробництві. А завдяки інноваційній твердотільній конструкції батарея також буде безпечною та потужною.

Ця робота є як науковим досягненням, так і необхідним кроком, щоб заповнити прогалину в масштабуванні батарей, яка необхідна для відходу світової економіки від викопних видів палива.

"Щоб забезпечити роботу Сполучених Штатів протягом однієї години, ми повинні виробляти одну терават-годину енергії", – каже Менґ.  – Щоб досягти нашої місії з декарбонізації економіки, нам потрібно кілька сотень терават-годин акумуляторів. Нам потрібно більше батарей, і вони потрібні нам швидко".

Сталість і натрій

Літій, який зазвичай використовується в батареях, не надто поширений. Його вміст у земній корі становить близько 20 частин на мільйон, тоді як натрію – 20 000 частин на мільйон.

Ця дефіцитність у поєднанні зі сплеском попиту на літій-іонні акумулятори для ноутбуків, телефонів та електромобілів спричинила стрімке зростання цін, що зробило потрібні батареї ще менш доступними.

Родовища літію також досить локалізовані. У "літієвому трикутнику" Чилі, Аргентини та Болівії зосереджено понад 75% світових запасів літію, а інші родовища знаходяться в Австралії, Північній Кароліні та Неваді. Це надає перевагу одним країнам над іншими в процесі необхідної для боротьби зі зміною клімату декарбонізації.

"Глобальні дії вимагають спільної роботи для забезпечення доступу до критично важливих матеріалів", – вважає Менґ.

Видобуток літію також завдає шкоди навколишньому середовищу чи через промислові кислоти, що використовуються для розщеплення руди, чи через більш поширений видобуток розсолу, через що викачуються величезні обсяги води на поверхню для випарювання.

Натрій, поширений в океанській воді та у викопній кальцинованій соді, за своєю природою є екологічно чистішим матеріалом для акумуляторів. Дослідження LESC зробили його ще й потужним.

Інноваційна архітектура

Щоб створити натрієву батарею зі щільністю енергії літієвої батареї, команді потрібно було розробити нову архітектуру натрієвої батареї.

Традиційні батареї мають анод для накопичення іонів під час заряджання акумулятора. Під час використання батареї іони рухаються від анода через електроліт до струмоприймача (катода), живлячи по дорозі прилади та автомобілі.

В безанодних батареях анод вилучений, а іони накопичуються шляхом електрохімічного осадження лужного металу безпосередньо на струмоприймачі. Такий підхід дозволяє підняти напругу, знизити вартість елемента та збільшити щільність енергії, але має свої проблеми.

"У будь-якій безанодній батареї повинен бути хороший контакт між електролітом і струмоприймачем, – каже Дейшер. – Зазвичай це дуже легко зробити при використанні рідкого електроліту, бо рідина може розтікатися скрізь і змочувати кожну поверхню. Твердий електроліт на таке не здатен".

Втім, ці рідкі електроліти створюють так звану міжфазову поверхню твердого електроліту, постійно поглинаючи активні матеріали, що з часом зменшує ресурс батареї.

Плинне тверде тіло           

Команда застосувала новий, інноваційний підхід до цієї проблеми. Замість того, щоб використати електроліт, який оточує струмоприймач, вони створили струмоприймач, який оточує електроліт.

Вони створили свій струмоприймач з алюмінієвого порошку – твердої речовини, яка здатна перетікати як рідина.

Безанодні схеми та розрахунки щільності енергії. a) Схема батареї для вуглецевих анодів, сплавних анодів та безанодної конфігурації. b) Теоретичне порівняння щільності енергії для різних матеріалів натрієвих анодів. c) Схема, що ілюструє вимоги для створення безанодного твердотільного акумулятора.

Під час складання батареї порошок ущільнили під високим тиском, щоб сформувати твердий струмоприймач, зберігаючи при цьому рідиноподібний контакт з електролітом, що дозволило створити недорогий і високоефективний циклічний процес, який може просунути цю революційну технологію вперед.

"Натрієві твердотільні акумулятори прийнято вважати технологією далекого майбутнього, але ми сподіваємося, що ця стаття може стимулювати розвиток натрієвих батарей, продемонструвавши, що вони справді можуть працювати добре, а в деяких випадках навіть краще, ніж літієві", – каже Дейшер.

Кінцева мета? Менґ бачить енергетичне майбутнє з різноманітними екологічно чистими, недорогими батареями, що накопичують відновлювану енергію, які можна масштабувати відповідно до потреб суспільства.

Менґ і Дейшер подали заявку на патент на свою роботу в Офіс інновацій та комерціалізації Університету Сан-Дієґо в Сан-Дієґо.

Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery, Deysher et al,

Nature Energy, July 3, 2024.

DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9

Paul Dailing
UChicago Prof. Shirley Meng’s Laboratory for Energy Storage and Conversion creates world’s first anode-free sodium solid-state battery – a breakthrough in inexpensive, clean, fast-charging batteries
The University of Chicago, 03.07.2024