Альтернатива литий ионным аккумуляторами

Российские ученые нашли дешевую и надежную замену литиевым аккумуляторам

Ученые из России разработали технологию использования натрия вместо лития в аккумуляторах. Они смогли добиться схожей емкости АКБ, что делает технологию весьма перспективной на фоне того, что натрий дешевле лития вследствие более широкого его распространения. Кроме того, батареи на его основе намного более стабильны в сравнении с литиевыми.

Достойная замена литию

Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.

Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.

Как натрий работает в аккумуляторах

В ходе исследований российские ученые выяснили, что для достижения схожей с литиевым аккумулятором емкости при использовании натрия нужно «уложить» атомы элементов определенным, многослойным способом. Они экспериментировали с трехслойной структурой – слой атомов натрия сверху и снизу был закрыт слоями графена – перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода.

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоев, находящихся один над другим. Подобная структура достигается за счет перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается своего рода «сэндвич» из слоя углерода, двух слоев щелочного металла (натрия) и дополнительного слоя углерода.

При такой структуре емкость аккумуляторов, по словам специалистов, становится схожей с емкостью стандартных литиевых батарей – 335 мАч/гр у натриевых (мАч на один грамм вещества) против 372 мАч/гр у литиевых

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

Преимущество натрия над литием при использовании в элементах питания признал даже сам Джон Гуденаф (John Goodenough), создатель литий-ионной батареи и лауреат многих престижных премий. Весной 2017 г. совместно с группой исследователей из Техасского университета США он разработал технологию твердотельного аккумулятора с повышенной плотностью энергии. Новый тип батарей выдерживает температур до -60 градусов Цельсия, не взрывается от перегрева или повреждения оболочки, а при утилизации не вредит окружающей среде. Для накапливания энергии в такой батарее вместо лития используется натрий, который можно добывать даже из морской воды.

До отказа от лития еще далеко

На момент публикации материала разработка натриевых аккумуляторов находилась на стадии подготовки к созданию экспериментального образца, который в дальнейшем будет изучаться в лабораторных условиях. Притом выполнять эти работы будут иностранные коллеги российских ученых – из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Между тем, сроки начала распространения новых АКБ, даже примерные, специалисты не называют. Технология Джона Гуденафа, даже по прошествии более трех лет с момента анонса, тоже пока не применяется в производстве батарей.

Другая разработка «МИСиС»

В августе 2019 г. специалисты «МИСиС» разработали еще одну альтернативу литиевым элементам питания. Как сообщал CNews, они придумали принцип использования растения «борщевик» при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

По задумке ученых из МИСиС, в качестве сырья для производства электродов суперконденсаторов должны использоваться только стебли борщевика. Для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов, к примеру, обработку в соляной кислоте и насыщение углекислым газом.

Источник

Российские учёные предложили перспективную альтернативу литий-ионным аккумуляторам

Литий-ионные аккумуляторы используются в самых разных устройствах уже почти 30 лет. Однако литий — дорогостоящий металл, запасы которого в природе весьма ограничены, а его уникальные свойства усложняют поиск альтернативы для создания столь же ёмких аккумуляторов. Более доступный и дешёвый аналог предложила группа российских учёных.

Потенциальную альтернативу дорогостоящему литию предложили учёные НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф под руководством профессора Аркадия Крашенинникова. В ходе исследований специалисты обнаружили, что если атомы внутри образца «уложить» определённым способом, то другие щелочные металлы также демонстрируют высокую энергоёмкость. Наиболее перспективная замена лития — натрий, так как даже при двуслойной компоновке его атомов в структуре биграфена ёмкость такого анода сопоставима с ёмкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мАч/г против 372 мАч/г у лития. Преимуществом натрия стала его широкая распространённость в природе.

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоёв друг над другом. Такая структура создаётся путём перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается «сэндвич» из слоя углерода, двух слоёв щёлочного металла и ещё одного слоя углерода.

Экспериментальным путём было установлено, что атомы лития сильно связаны с графеном, однако увеличение числа слоёв лития приводит к уменьшению стабильности всей структуры. В случае натрия наблюдается прямо обратная ситуация — при увеличении числа слоёв возрастает стабильность таких структур.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это, недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению ёмкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», — рассказал научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов.

Теперь исследователи намерены заняться созданием экспериментального образца и его изучением в лабораторных условиях. В случае успеха у литий-ионных аккумуляторов появится гораздо более доступная альтернатива на основе натрия.

Источник

Учёные: альтернативы литий-ионным аккумуляторам не видать

«Полноценная замена литий-ионных аккумуляторов появится не раньше следующего десятилетия», — сообщают учёные Центра исследования аккумуляторов MEET.

То есть ещё как минимум до 2030-го года, по профессиональным оценкам научных деятелей, мы (человечество) будем довольствоваться доминирующим положением тридцатилетней технологии со всеми её недостатками:

• • относительно маленький срок службы,
• • невысокая энергоёмкость,
• • большие размеры,
• • пожароопасные свойства (при отсутствии защитных узлов).

Что ещё за учёные из центра MEET, можно им доверять?

MEET Battery Research Center — это специализирующееся на электрохимических элементах питания научное подразделение Вестфальского университета имени Вильгельма в Германии (википедия). Его ещё называют Мюнстерский или Вестфальский университет.

Мы не видим оснований для недоверия представленному исследованию. Более 140 сотрудников безостановочно занимаются изучением материалов аккумуляторов для создания новых типов независимых источников и систем хранения энергии.

В их обязательства входит не только исследовательская работа. Учёные разрабатывают новые материалы, улучшают существующие и производят экспериментальные образцы. Кроме того, они принимают в переработку аккумуляторных устройств в Мюнстере.

Учёные провели анализ производственных процессов, которые прямо сейчас в 2021-м году используются для выпуска литий-ионных аккумуляторов на заводах в Китае, Корее, Японии и США. Полученные элементы поступают в смартфоны и электромобили по всему миру.

Вместе с тем, оценке подверглись перспективы налаживания столь же массового производства для альтернативных литий-ионной технологии разработок.

Альтернативы литий-ионной технологии ещё не готовы

Как сообщают учёные, следует ожидать двукратного увеличения мирового производства вообще всех типов аккумуляторов (в том числе автомобильных свинцово-кислотных АКБ). Сегодня в мире поставляется элементов питания в оценке количества произведённой энергии на 750 ГВт·ч. В 2030-м эта цифра возрастёт до 1500 ГВт·ч.

MEET: «Литий-ионный аккумулятор будет доминировать на рынке перезаряжаемых высокоэнергетических батарей в среднесрочной перспективе».

Но что же с альтернативными аккумуляторными технологиями? Так, например, твердотельные батареи, а также литий-серные или литий-воздушные батареи, действительно сейчас активно исследуются.

Поставлены коммерческие цели, в них вкладывают много денег и строят на них надежды. Но ещё ни одна из альтернатив не производится серийно. И тем более ни о каких промышленных масштабах не может быть и речи.

Даже если представить себе неожиданное изобретение дешёвой и более совершенной замены литий-ионному аккумулятору, запустить в массовые поставки такой продукт невероятно сложно.

В настоящее время создаются масштабные производственные комплексы. Перестройка под так называемые постлитий-ионные батареи (PLIB) потребует новых технологических процессов, производственных условий и компетенций. Простыми словами, кто захочет вновь вкладывать миллиарды, когда уже и без того всё хорошо работает?

Неужели нет аналога литий-ионным аккумуляторам?

Есть. Например, самый близкий родственник из альтернатив литий-ионной технологии — натрий-ионная батарея. Для неё даже представлен широко известный формат 18650 в целях удобства применения.

Более того, по многим технологическим этапам процесс создания и выпуска натрий-ионной батареи совместим с производственными мощностями для литий-ионных аккумуляторов. Но есть нюанс, который мешает массовой реализации такого типа элементов — значительно меньшая плотность энергии. Посему лучше продолжать исследования и совершенствовать продукт, чем пытаться конкурировать с изначально слабым козырем в рукаве.

И даже не предвидится никаких других вариантов?

Перспективы для массового рынка есть у тех аналогов литий-ионных аккумуляторов, которые способны побороть хотя бы два преимущества существующей технологии:

• • большая плотность энергии относительно размеров;
• • низкий саморазряд и не требует обслуживания;
• • высокая стабильность напряжения вне зависимости от нагрузки и до разрядки;
• • температурная стойкость (от -20°C до +60°C);
• • безопасно для использования в электротранспорте и гаджетах;
• • срок службы при правильно контролируемой эксплуатации больше трёх лет;
• • низкая стоимость изготовления и применения (удобно проектировать под разные устройства).

«Производственные мощности, которые в настоящее время строятся по всему миру для литий-ионных аккумуляторов, создают прецедент, из-за которого (вероятнее всего) реализация даже потенциально успешных альтернативных технологий будет значительно затруднена», — Ричард Шмух (Richard Schmuch), замначальника отдела материалов в MEET.

Само исследование опубликовано в журнале Nature Energy — ссылка на статью.

Оставляйте вопросы в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Источник