Новые твердотельные батареи на основе натрия могут обеспечить более быструю зарядку и большую емкость

Исследователи из Федерального института исследований и испытаний материалов (BAM) в Германии разрабатывают новую конструкцию твердотельных батарей, чтобы преодолеть потолок, достигнутый современными литий-ионными элементами. В центре их проекта - новый электролит на основе суперионного проводника натрия (NASICON), который позволит ускорить зарядку, увеличить срок службы и снизить стоимость без ущерба для безопасности.

Обычные литий-ионные аккумуляторы работают на графитовых анодах, которые хранят ограниченное количество ионов. Переход на металлический литий - или более дешевый и распространенный натрий - повысит плотность энергии на 40 процентов. Загвоздка в том, что твердые аноды нуждаются в твердом электролите, а жесткая граница между ними часто образует пустоты, которые выводят батарею из строя. Частично жидкий анод может решить эту проблему с интерфейсом, но только если вся система остается стабильной.

Команда BAM под руководством приглашенного исследователя Густава Грэбера уже показала, что жидкий анод из щелочных металлов может выдавать в 100 раз больше энергии, чем графит. Однако сейчас эта рекордная мощность проявляется только при температуре около 250°C (482°F). Чтобы опустить технологию до комнатной температуры, исследователи добавляют калий, чтобы понизить температуру плавления анода. Большинство твердых электролитов разрушаются при контакте с калием, поэтому электролит становится новым узким местом.

Материалы NASICON выводят из этого тупика. Они хорошо проводят ионы при комнатных условиях и хорошо переносят калий, особенно если легированы гафнием. Однако гафний дефицитен и дорог. Поэтому в рамках проекта BAM проводится отбор легирующих элементов, которые могут сравниться с гафнием по стабилизирующему эффекту. Наиболее перспективные составы уже интегрируются и циклически используются в прототипах натриевых ячеек.

Если поиски увенчаются успехом, твердотельные батареи на основе натрия могут перейти из лабораторий в повседневные устройства и электромобили. Более высокая плотность энергии увеличит время работы, а твердые электролиты повысят внутреннюю безопасность. Более быстрая зарядка и цепочка поставок, опирающаяся на изобилующий натрий, а не на дефицитные литий и кобальт, сделают эту технологию привлекательной и для хранения энергии в электросети - постепенный, но значимый шаг к созданию энергетических систем с более низким уровнем выбросов углекислого газа.