Вчені з Китаю вирішили головну проблему, яка роками вбивала металеві натрієві акумулятори. Цим ворогом були дендрити – гострі голчасті нарости, що пробивають сепаратори і викликають короткі замикання. Це була фатальна помилка технології. До сьогоднішнього дня.
Нова конструкція, опублікована 21 травня в журналі Nano-Micro Letters, заряджається за чотири хвилини. Усього за чотири. У цьому вона зберігає ємність роками. Жодних коротких замикань. Жодних проривів дендритів.
Ключовим проривом став міцний квазірідкий гелевий електроліт, який отримав назву Sn-FB QSE.
Натрієві металеві акумулятори (SMB) розглядалися як головний претендент на спадщину літій-іонних батарей. Вони дешевші, безпечніші і використовують доступні матеріали. Але вони мають погану звичку перетворюватися на експонат з «наукового ярмарку» у вигляді вибуху. Чому? Тому що натрій украй реакційноздатний.
Коли іони переміщуються всередині акумулятора, вони утворюють шар, званий SEI (тверде електролітне проміжне з’єднання). Його завдання – захищати анод. Зазвичай це працює нормально. Шар має товщину від 10 до 50 нанометрів, тобто мікроскопічно тонкий. Але у випадку із натрієм він тріскається. Через ці тріщини іони натрію починають накопичуватися. Утворюються горбки. Горбики перетворюються на шипи. Шипи пробивають мембрану. Клацніть.
Sn-FB QSE вирішує цю проблему. Він напівтвердий, стійкий до проколів та не дає натрію рости у вигляді сталактитів.
Результати тестів? Ігнорувати їх складно.
Команда заряджала та розряджала осередок понад 6000 годин. Шість тисяч годин безперервного циклування. Жодного пробитого бар’єру дендритами.
Вони вивели швидкість заряду на абсолютний ліміт. Від 0 до 100% за чотири хвилини. Акумулятор утримував ємність 80,1 мАг/г. Це приблизно половина від показників топових літій-іонних батарей на такій же божевільній швидкості. Але швидкість – не єдиний критерій.
Уповільнимо темп. Заряджання за 20 хвилин замість 4. Продовжуємо циклування. Після 2000 циклів акумулятор зберіг 90% своєї початкової ємності. Це відповідає теоретичним межам сучасних літій-іонних технологій. Але він дешевший. І безпечніше.
SMB поєднують дешевизну та доступність матеріалів натрій-іонних технологій з високою щільністю енергії та компактністю літій-іонних.
Розмір має значення. Літій-іонні акумулятори важкі. Кобальт та літій — рідкісні, геополітично чутливі та дорогі ресурси. Вони також легко спалахують. Натрій є всюди. У землі його буквально більше золота.
У SMB використовується металевий натрієвий анод. На відміну від стандартних натрій-іонних батарей, що використовують графіт, металевий анод легший. Значно легше. Іони теж громіздкі. Вони не можуть так швидко скопитися в місці пошкодження, щоб запустити реакцію теплового розгону. Якщо акумулятор проколото, він просто перестає працювати. Він не спалахує полум’ям.
Електромобілі відчайдушно потребують цього.
Поточний король швидкості – BYD Denza. Він заряджається з 10 до 70% за п’ять хвилин. П’ять. Але для цього потрібні спеціалізовані зарядні станції потужністю 1 МВт, яких немає у вашому районі. Tesla Model 3? П’ятнадцять хвилин на зарядці потужністю 250 квт. Дев’яносто хвилин стандартної станції потужністю 50 кВт. Більшість водіїв не готові чекати на півтори години.
Якщо SMB працюватимуть так, як обіцяють, їх запас ходу може бути нижчим, ніж у літій-іонних аналогів. Але час поповнення заряду скоротиться з години до перерви на каву.
Громадський транспорт? Ідеальне рішення. Міські автомобілі? Гарний варіант. Вони простоюють у депо, заряджаючи, поки водії сплять чи відпочивають. Їм не потрібна велика дальність для навколосвітніх подорожей країною. Їм потрібна надійність та швидкість.
Але не варто чекати на смартфони на базі SMB найближчим часом.
Телефони нагріваються. Вони охолоджуються. Гелеві електроліти ненавидять перепади температур. Хімія змінюється. Продуктивність падає. Дослідники визнають це. Потрібні повторні експерименти. Потрібен вихід масове виробництво. Потрібно вижити у суворій реальності, коли телефон падає в кишеню куртки взимку.
Чистий металевий натрій – небезпечна речовина. Заміна добре вивчених графітових анодів, які ми використовуємо зараз, це великий стрибок. Дуже великий.
Попереду довге десятиліття.
Можливо, революція у батареях відбудеться не за рахунок створення ідеального сховища енергії. Можливо, вона прийде завдяки готовності задовольнятися меншим. За умови, що воно заряджається досить швидко.
Якою є ваша межа терпіння? П’ять хвилин.
