Ученые из Китая решили главную проблему, которая годами убивала натриевые металлические аккумуляторы. Этим врагом были дендриты — острые игольчатые наросты, пробивающие сепараторы и вызывающие короткие замыкания. Это была фатальная ошибка технологии. До сегодняшнего дня.
Новая конструкция, опубликованная 21 мая в журнале Nano-Micro Letters, заряжается за четыре минуты. Всего за четыре. При этом она сохраняет емкость годами. Никаких коротких замыканий. Никаких прорывов дендритов.
Ключевым прорывом стал прочный квазижидкий гелевый электролит, получивший название Sn-FB QSE.
Натриевые металлические аккумуляторы (SMB) рассматривались как главный претендент на наследие литий-ионных батарей. Они дешевле, безопаснее и используют доступные материалы. Но у них есть плохая привычка превращаться в экспонат с «научной ярмарки» в виде взрыва. Почему? Потому что натрий крайне реакционноспособен.
Когда ионы перемещаются внутри аккумулятора, они формируют слой, называемый SEI (твердое электролитное промежуточное соединение). Его задача — защищать анод. Обычно это работает нормально. Слой имеет толщину от 10 до 50 нанометров, то есть микроскопически тонкий. Но в случае с натрием он трескается. Через эти трещины ионы натрия начинают скапливаться. Образуются бугорки. Бугорки превращаются в шипы. Шипы пробивают мембрану. Щелчок.
Sn-FB QSE решает эту проблему. Он полутвердый, устойчив к проколам и не дает натрию расти в виде сталактитов.
Результаты тестов? Игнорировать их сложно.
Команда заряжала и разряжала ячейку более 6000 часов. Шесть тысяч часов непрерывного циклирования. Ни одного пробитого барьера дендритами.
Они вывели скорость заряда на абсолютный лимит. От 0 до 100% за четыре минуты. Аккумулятор удерживал емкость 80,1 мАч/г. Это примерно половина от показателей топовых литий-ионных батарей на такой же безумной скорости. Но скорость — не единственный критерий.
Замедлим темп. Зарядка за 20 минут вместо 4. Продолжаем циклирование. После 2000 циклов аккумулятор сохранил 90% своей первоначальной емкости. Это соответствует теоретическим пределам современных литий-ионных технологий. Но он дешевле. И безопаснее.
SMB объединяют дешевизну и доступность материалов натрий-ионных технологий с высокой плотностью энергии и компактностью литий-ионных.
Размер имеет значение. Литий-ионные аккумуляторы тяжелые. Кобальт и литий — редкие, геополитически чувствительные и дорогие ресурсы. Они также легко воспламеняются. Натрий же есть повсюду. В земле его буквально больше, чем золота.
В SMB используется металлический натриевый анод. В отличие от стандартных натрий-ионных батарей, использующих графит, металлический анод легче. Значительно легче. Ионы тоже громоздкие. Они не могут так быстро скопиться в месте повреждения, чтобы запустить реакцию теплового разгона. Если аккумулятор проколот, он просто перестает работать. Он не вспыхивает пламенем.
Электромобили отчаянно нуждаются в этом.
Текущий король скорости — BYD Denza. Он заряжается с 10 до 70% за пять минут. Пять. Но для этого требуются специализированные зарядные станции мощностью 1 МВт, которых нет в вашем районе. Tesla Model 3? Пятнадцать минут на зарядке мощностью 250 кВт. Девяносто минут на стандартной станции мощностью 50 кВт. Большинство водителей не готовы ждать полтора часа.
Если SMB будут работать так, как обещают, их запас хода может быть ниже, чем у литий-ионных аналогов. Но время пополнения заряда сократится с часа до перерыва на кофе.
Общественный транспорт? Идеальное решение. Городские автомобили? Хороший вариант. Они простаивают в депо, заряжаясь, пока водители спят или отдыхают. Им не нужна огромная дальность для кругосветных путешествий по стране. Им нужна надежность и скорость.
Но не стоит ждать смартфонов на базе SMB в ближайшее время.
Телефоны нагреваются. Они охлаждаются. Гелевые электролиты ненавидят перепады температур. Химия меняется. Производительность падает. Исследователи признают это. Нужны повторные эксперименты. Нужен выход на массовое производство. Нужно выжить в суровой реальности, когда телефон падает в карман куртки зимой.
Чистый металлический натрий — опасное вещество. Замена хорошо изученных графитовых анодов, которые мы используем сейчас, — это большой скачок. Очень большой.
Впереди долгое десятилетие.
Возможно, революция в батареях произойдет не за счет создания идеального хранилища энергии. Возможно, она придет благодаря готовности довольствоваться меньшим. При условии, что оно заряжается достаточно быстро.
Какова ваша граница терпения? Пять минут.
