Разработаны долговечные натрий-ионные батареи, превосходящие по энергоемкости серийные литий-ионные аккумуляторы

Сравнение натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов

Исследователи из Сеульского национального университета Южной Кореи разработали новый вариант натрий-ионных батарей, превосходящий по техническим параметрам нынешние литий-ионные аккумуляторы.

Натрий-ионные аккумуляторы известны давно, но, несмотря на большую емкость, они не рассматривались до сих пор как серьезная альтернатива литий-ионным решениям. Меньший отрицательный окислительно-восстановительный потенциал Na + / Na по сравнению с Li + / Li (-2,71 и -3,04 V против стандартной водородного электрода) уменьшает рабочее напряжение, что приводит к общему снижению плотности энергии в батарее.

Кроме того, диаметр иона натрия составляет 1,02 Ангстрема, а иона лития 0,59 Ангстрема. В процессе зарядки-разрядки аккумулятора ионы должны постоянно перемещаться в пределах удерживающих их зон, соответственно большие размеры ионов оказывают большее воздействие на элементы внутренней структуры, постепенно их разрушая. В связи с этим время жизни натриевых батарей гораздо ниже, чем литиевых: уже через десятков циклов зарядки-разрядки теряетсят свыше половины первоначальной емкости. Без преодоления этих конструктивных проблем использование натрий-ионных батарей проблематично. Хотя, опять-таки из-за больших размеров ионов, теоретически их емкость натриевых решений значительно выше, чем у литиевых. К тому же, стоимость натрия гораздо ниже, чем лития. Все это делает очень перспективным исследования, направленные на увеличение ресурса натриевых батарей: это, по сути, их единственный недостаток.

Группой южнокорейских ученых предложен новый катод для натрий-ионных аккумуляторов, Na1.5VPO4.8F0.7 , содержащий ванадиевые окислительно-восстановительные пары, увеличивающие как емкость, так и износоустойчивость. Новые аккумуляторы обладают удельной емкостью 600 Вт•ч на килограмм веса, что в несколько раз (2,5–6) превышает энергоемкость серийных литиевых батарей, и больше типичных натриевых батарей на 13%.

Снижение емкости после 100 циклов зарядки-разрядки составляет около 5%, но после этого процесс деградации замедляется и стабилизируется. Например, после 500 циклов снижение емкости составляет 16%. Влияние более длительных циклов пока не изучалось, но уже сейчас ясно, что по этому параметру новые натриевые аккумуляторы не уступают литиевым батареям предыдущего поколения и заметно превосходят своих натриевых предшественников.

Уже сейчас такой долговечности достаточно для применений в бытовой электронике, при этом длительность работы мобильных устройств возрастет вдвое-втрое. Но для использования в наиболее актуальном приложении – в электромобилях требуется более длительный срок эксплуатации при сохранении потребительских свойств (до 10 лет). Если проблема живучести аккумуляторов будет решена, то доступные электромобили, проезжающие на одной зарядке сотни километров станут реальностью. Напомним, что стоимость аккумуляторных батарей сейчас превышает $5000-7000. Натрий же стоит в 30 раз меньше лития, и батареи из него будут существенно дешевле.

По материалам Phys.Org.