По заявке немецкого автопрома учёные из Федерального института исследований и испытаний материалов в Германии разработали аккумуляторы, готовые прийти на смену литиевым. Исследователи создали принципиально новый тип анода из активированного угля и натрия. Созданный дешёвый анод с сердечником из пористого углерода со специальным тончайшим внешним покрытием повысил эффективность (КПД) натриево-ионной батареи до 82%.
Насколько мне стало известно после общения с ведущими специалистами в области химии, посетившими V Конгресс молодых учёных, автопром всего мира усиленно разворачивается в сторону производства электромобилей. Главными элементами питания этих машин являются твердотельные литий-ионные аккумуляторы. Изначально планировались натриевые, но от них отказались из-за более низкой плотности энергии и низкого КПД.
На мой взгляд, так себе решение. Природный газ гораздо дешевле и не наносит такого вреда окружающей среде, как литий. Добыча лития и утилизация отработанных аккумуляторов - это первая проблема. Вторая - зарядка батарей от сети городского питания, получающей электроэнергию от сжигания угля в Китае и дизеля в США - эти две сверхдержавы главные потребители электрокаров. Третья - литиевые батареи хорошо горят, а потушить их просто невозможно. Например, для тушения Tesla требуется поместить её в контейнер с 11 кубометрами воды. То есть, на выходе получаем 11 тонн загрязнённой воды, которую никто не умеет утилизировать. Китай, правда, придумал способ как с помощью газировки извлекать литий из старых аккумуляторов (разбирали на канале здесь). Но всё равно - это не панацея от всех совокупных проблем.
Согласно новостной повестке, в Германии не всё хорошо с природным газом. Поэтому умные немцы придумали простой, дешёвый и более экологичный аккумулятор. Анод новой батареи основан на недорогом, экологически чистом активированном угле. В самом деле, активированный уголь и поваренная соль (она же хлорид натрия) по сравнению с литием - чистейшие и очень дешёвые продукты.
Учёными Федерального института исследований и испытаний материалов (BAM) пришли к выводу, что натриево-ионным батареям для достижения высокой плотности энергии не хватает дополнительного элемента, который будет сдерживать потери энергии во время первого цикла использования. Поэтому исследователи немного изменили конструкцию анода. Вовнутрь они поместили пористый активированный уголь, а сверху нанесли специальную одновременно плотную и тонкую оболочку. В итоге новая батарея стала в четыре раза эффективнее.
Революционный немецкий анод.
Натриево-ионные батареи (SIB) считаются перспективной альтернативой литий-ионным батареям (LIB). Натрий примерно в 50 раз дешевле, чем литий, и гораздо менее вреден как в производстве, так и утилизации. Кроме того, его везде полно.
Экспериментально установлено, что КПД литий-ионных батарей часто превышает 90%, хотя на него могут повлиять несколько факторов: температура, возраст самого элемента питания, циклы зарядки и разрядки и т.п. В реальных условиях энергоэффективность литиевой батареи Tesla Roadster составляет 86%.
С температурным фактором учёным удалось справиться - они придумали твердотельные аккумуляторы, в которых жидкий электролит заменили на твёрдый. Ярким примером таких аккумуляторов являются кремний-углеродные батареи. Они созданы по принципу сэндвича: пластина анода, кремний-углеродная решётка с вкраплением солей переносящих ионы между анодом и катодом, пластина катода. Достоинством таких батарей являются: высокая плотность энергии при малых физических объёмах, возможность придать им любую форму, способность не утрачивать своей эффективности как при работе на морозе, так и в тепле.
Основная потеря эффективности батарей связана с химической реакцией между анодом и электролитом - проводящим элементом. Причём потеря энергии происходит ещё до момента начала использования самой батареи. В обычных аккумуляторах литий "высаживается" на углеродную основу. Учитывая пористую структуру углерода молекулы электролитов разлагаются на твёрдоуглеродном аноде и проникают в его поры. По сути, они они занимают "пустое пространство", предназначенное для хранения ионов натрия или лития. Чтобы такого не происходило пришлось использовать более плотный графитовый анод, но из-за повышенной плотности пришлось отказаться от натрия и использовать только литий. Натрий не может храниться в плотном графите, он требует более пористой структуры.
Чтобы решить эту проблему, немецкие учёные создали анод с губчатым твёрдым углеродным сердечником, гарантирующим высокую плотность хранения энергии, покрытый ультратонким внешним защитным слоем, который действует как молекулярный фильтр.
Новая оболочка позволяет свободно проходить только ионам натрия, блокируя более крупные молекулы электролитов, вызывающих нежелательные побочные реакции. Защитную плёнку нужной толщины наносят на поверхность анода при изготовлении батареи. Под ней расположен пористый углеродный сердечник с высаженным на него натрием.
Итог.
Разработанная технология сохраняет ёмкость анода и производительность аккумулятора в течение многих циклов разрядки-зарядки. В лабораторных испытаниях новый тип батареи показал КПД в 82%. До применения технологии - до нанесения плёнки - КПД батареи составлял всего 18%. Фактически, немцы подняли КПД натриевых аккумуляторов до уровня литиевых.
Исследователи из BAM и Берлинского университета имени Гумбольдта опубликовали результаты своих разработок в известном журнале Angewandte Chemie - Прикладная химия. В этом еженедельном научном журнале обычно публикуются фундаментальные и прикладные исследования во всех областях химии.
Надеюсь, наши химики возьмут на вооружение эту новую технологию производства аккумуляторов и мы скоро увидим электрокары нашего АвтоВАЗа пусть не 50 раз дешевле, но хотя бы в 5. А также ещё хотелось бы увидеть недорогие обещанные отечественные смартфоны с новыми твердотельными батареями.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.