Источник: pv-magazine, EcoNRJ
В эпоху стремительного развития зелёных технологий и поиска эффективных решений для хранения энергии учёные продолжают исследовать новые типы аккумуляторов. Недавние исследования показали, что натрий-ионные аккумуляторы (SIB) с твёрдоуглеродными (HC) анодами могут заряжаться быстрее, чем широко используемые литий-ионные аккумуляторы (LIB). Это открытие способно кардинально изменить рынок накопителей энергии и предложить более доступные и эффективные решения.
Открытие учёных из Токийского научного университета
Исследователи из Токийского научного университета (TUS) провели работу, которая может переписать устоявшиеся представления об аккумуляторах. Они доказали, что SIB с HC анодами обладают более высокой скоростью зарядки по сравнению с LIB. Это открытие открывает новые горизонты для индустрии и может стать основой для создания новых поколений энергетических устройств.
Проблема недооценки скорости зарядки
При тестировании аккумуляторов часто возникает проблема недооценки истинной скорости зарядки твёрдоуглеродных анодов. Это связано с трудностями, которые возникают из-за перенапряжения в составном электроде.
Во время быстрой зарядки плотная структура электрода может вызвать «заторы ионного движения». В этом случае перенос ионов в электролите замедляет реакцию, и определить реальную скорость зарядки становится сложно. Исследователям было необходимо выяснить предельную скорость зарядки HC и сравнить скорость внедрения натрия и лития в материал.
Метод разбавленного электрода (DEM): новый подход к исследованию
Для решения этой задачи исследовательская группа TUS применила метод разбавленного электрода (DEM), который был разработан профессором Кинго Ариоши из Университета Метрополитен в Осаке. Этот метод предполагает частичную замену активного углеродного порошка на отрицательном электроде на электрохимически неактивный порошок оксида алюминия.
Благодаря применению DEM учёные смогли:
- провести точное измерение максимальных скоростей внедрения натрия и лития в твёрдый углерод;
- сравнить кинетику этих процессов, исключив ограничения, связанные с переносом электролита;
- получить чёткие и количественные данные о различиях в скорости зарядки.
Результаты исследования: натрий против лития
Исследование показало, что при использовании одного и того же твёрдого углеродного отрицательного электрода процесс содиализации (внедрения натрия) происходит быстрее, чем литизация (внедрение лития). Ключевым фактором, определяющим скорость процесса, является механизм заполнения пор. Натрию требуется меньше энергии, чем литию, для образования псевдометаллических кластеров в нанопорах твёрдого углерода.
Профессор кафедры прикладной химии Токийского университета доктор Шиничи Комаба подчеркнул: «Ключевым моментом в разработке улучшенных углеродных материалов для быстрозаряжаемых твердотельных накопителей является ускорение процесса заполнения пор, чтобы можно было использовать их при высокой скорости зарядки».
Преимущества натрий-ионных аккумуляторов
Низкокристаллический пористый углерод способен накапливать значительное количество натрия, что позволяет SIB достигать плотности энергии, сопоставимой с плотностью энергии коммерческих LIB. Среди преимуществ SIB можно выделить:
- более высокую скорость зарядки по сравнению с LIB;
- меньшую чувствительность к температуре (внедрение натрия требует меньшей энергии активации, чем внедрение лития);
- потенциально более низкую стоимость производства благодаря доступности натрия.
Разработка метода разбавленного электрода
Команда исследователей, включая аспирантку Юки Фуджи и доцента Закари Т. Госсейджа, разработала метод разбавленного электрода. Он предполагает создание электрода, который сочетает в себе частицы гидрида углерода и электрохимически неактивный материал (например, оксид алюминия). При правильном соотношении каждая частица гидрокарбоната окружена достаточным количеством ионов, что позволяет устранить типичные проблемы с переносом ионов в электролите и на отрицательном электроде.
С помощью этого подхода исследователи смогли:
- провести детальный анализ с использованием методов циклической вольтамперометрии, электрохимической импедансной спектрометрии и потенциостатической хроноамперометрии;
- подтвердить, что коэффициент диффузии (показатель скорости перемещения ионов в материале) для натрия в целом выше, чем для лития.
Химико-кинетический анализ: почему натрий быстрее?
Детальный химико-кинетический анализ показал, что для образования псевдометаллических кластеров натрию требуется меньше энергии, чем литию. Это объясняет более высокую скорость зарядки SIB по сравнению с LIB.
Учёные также выяснили, что начальная стадия зарядки (адсорбция/интеркаляция) для обоих ионов происходит очень быстро. Тем не менее скорость всей реакции в конечном счёте ограничивается эффективностью процесса заполнения пор.
Перспективы развития SIB
Выявив это узкое место, авторы исследования указали направление для разработки более быстрых и энергоэффективных аккумуляторов. Доктор Комаба отметил, что ускорение процесса заполнения пор может значительно улучшить характеристики твердотельных накопителей.
Команда пришла к выводу, что SIB могут стать более дешёвой и безопасной альтернативой LIB. Они не только обеспечивают более быструю зарядку, но и могут гарантировать более стабильную работу накопителей энергии.
Источник: pv-magazine, EcoNRJ
Хотите узнать больше о том, как сделать свой дом или бизнес более энергоэффективным? Подписывайтесь на наши социальные сети:
Источник: econrj.ru.
Заключение
Открытие учёных из Токийского научного университета может стать важным шагом на пути к созданию более эффективных и доступных систем накопления энергии. Натрий-ионные аккумуляторы с твёрдоуглеродными анодами обладают значительным потенциалом для применения в различных областях — от портативной электроники до электромобилей. Дальнейшие исследования в этом направлении могут привести к революции в индустрии аккумуляторов и способствовать широкому распространению экологически чистых технологий.
#натрийионныеаккумуляторы #энергетическиетехнологии #новыетехнологии #накопителиэнергии #экологическичистыетехнологии #инновациивэнергетике
Мы в EcoNRJ внимательно следим за последними тенденциями в области энергетических технологий и готовы делиться с вами самой актуальной информацией. Подписывайтесь на наши каналы и следите за новостями!