
Ученые ищут варианты ухода от лития в батареях, заменив его более дешевыми и экологичными аналогами.
Одним из таких материалов, который может заменить литий в батарее является натрий. Его достаточно много в земной коре, он дешевле и его добыча менее затратна и загрязнительна для окружающей среды. Но сильное образование дендритов – наростов на аноде, сделанного из натрия, сильно тормозит его применение в качестве материала анода.
Дендриты - это игольчатые наросты, образующиеся на электроде, которые препятствуют работе многих экспериментальных батарей.
Команда ученых из Техасского университета (UT) в Остине нашла интересное решение этой проблемы, предложив оригинальную технику изготовления анода из натрия методом "слоеного теста".
Натрий в качестве материала анода, поможет исключить из состава современных аккумуляторных батарей такие редкие металлы, как литий и кобальт. Добыча этих материалов связана с вредным воздействием на окружающую среду, таким как загрязнение водостоков и деградация почвы,
Натрий, напротив, дешев, его много, и он предлагает более экологически безопасное решение для хранения энергии. Попытки, предпринимаемые раньше, не смогли довести характеристики натриевых батарей до уровня сегодняшних литий-ионных аккумуляторов по причине образования дендритов.
Дендритные наросты образуются на натриевом аноде во время рабочего цикла аккумулятора и могут вызвать его короткое замыкание, перегрев или возгорание.
Решение проблемы состояло в том, чтобы сделать материал анода как можно более равномерным, поскольку даже незначительные дефекты на поверхности дают старт образованию дендритам, приводящим к разрушению всего устройства.
Исследователи из UT Austin считают, что им удалось найти решение этой проблемы с помощью композитного материала под названием интерметаллический теллурид сурьмы-натрия, который служит анодом. Он формируется из тонких листов металлического натрия, которые накатываются на порошок теллурида сурьмы и образуют аналог слоеного теста. Этот процесс повторяют снова и снова, чтобы сформировать анодный материал. Эта технология позволяет получить очень равномерное распределение атомов натрия в аноде, что снижает вероятность образования дендритов.
«Это очень похоже на технологию приготовление слоеного теста», - подметил автор исследования Дэвид Митлин.
Композитный материал не только предотвращает образование дендритов, но и повышает стабильность натриевой батареи. Ученые отмечают, что он имеет более высокую теоретическую плотность энергии, чем любой существующий натрий-ионный анод, и, следовательно, можно получить большую емкость. Скорость зарядки сравнима с литий-ионным аккумулятором.
«По сути, мы решаем сразу две проблемы», - говорит Митлин. «Как правило, чем быстрее вы заряжаете батарею, тем больше этих дендритов вырастает. А подавив рост дендритов, можное заряжать и разряжать батарею еще быстрее, потому что это будет безопасно».