Naujos konstrukcijos anodas su akytuoju sluoksniu padidina natrio baterijos efektyvumą nuo 18 % iki 82 % per pirmąjį ciklą.
- Ličio neturinčios baterijos, pagamintos iš natrio.
- Dvigubo sluoksnio anodai, apsaugotas akytas branduolys.
- Mažiau pradinių nuostolių, daugiau naudingos energijos nuo pirmojo ciklo.
- Pigios medžiagos, aktyvintosios anglies pagrindas.
- Praktinis pritaikymas, elektros tinklai ir atsinaujinančios energijos saugojimas.
- Mažesnis spaudimas kasybos pramonei, alternatyva kritiniams metalams.
Nauja anodų branduolio sluoksnio konstrukcija žymiai pagerina veikimą
Natrio jonų baterijos jau daugelį metų reklamuojamos kaip viena iš puikių tvarių alternatyvų ličio baterijoms. Natris yra gausus, tolygiai pasiskirstęs visoje planetoje ir nepriklauso nuo tiekimo grandinių, kurios yra tokios pat įtemptos kaip ličio, kobalto ar nikelio. Iki šiol problema buvo techninė: per pirmąjį įkrovimo ciklą šios baterijos praranda didelę dalį savo naudingos talpos dar prieš pasiekiant galutinį vartotoją.
Šis „priešlaikinis nusidėvėjimas“ atsiranda dėl cheminės reakcijos tarp anodo ir elektrolito – skysčio, kuris leidžia jonams judėti baterijos viduje. Kietuose anglies anoduose, reikalinguose natrio saugojimui, elektrolito molekulės suskaidomos ir įsiskverbia į medžiagos poras. Ten jos užima vietą, kuri turėtų būti skirta natrio jonams. Šis procesas sustabdomas tik tada, kai susidaro stabili apsauginė plėvelė, vadinama kietojo elektrolito sąsaja.
Ši plėvelė veikia kaip cheminis skydas, tačiau tai turi savo kainą: ji sulaiko dalį natrio jonų, sumažindama baterijoje cirkuliuojančio krūvio kiekį. Praktiniu požiūriu tai reiškia, kad nuo pirmojo naudojimo yra mažiau energijos.
Kodėl natrio anodams reikia kitokio požiūrio
Ličio baterijose ši problema yra daug mažiau reikšminga. Grafitas, jų įprastas anodas, yra tankesnis ir skatina greitą ir stabilų apsauginio sluoksnio susidarymą. Dėl to jų pradinis efektyvumas paprastai yra didesnis nei 90 %. Tačiau natris negali būti efektyviai saugomas grafite. Todėl tenka naudoti kietą, akytą anglį, kuri suteikia daugiau erdvės jonams, bet taip pat ir didesnį paviršių, kuriame elektrolitas gali reaguoti ir sukelti nuostolius.
Daugelį metų moksliniai tyrimai buvo tarsi virvės traukimo varžybos: medžiagos, turinčios didelę talpą, dažniausiai sukeldavo daugiau nuostolių formuojant apsauginį sluoksnį. Vieno dalyko pagerinimas reiškė kito pablogėjimą.
Šerdies-apvalkalo konstrukcija: funkcijų atskyrimas, kad būtų galima greičiau judėti į priekį
Vietoj to, kad ieškotų vienos medžiagos, kuri atliktų viską, jie sukūrė šerdies-apvalkalo konstrukciją, kuri padalina darbą į dvi aiškiai atskirtas sritis.
Anodo centre jie įdėjo porėtą kietą anglies šerdį, optimizuotą, kad saugotų kuo daugiau natrio jonų. Aplink jį jie uždėjo ultraploną išorinį sluoksnį, kuris veikia kaip selektyvus filtras: jis praleidžia natrio jonus, bet didžiąja dalimi blokuoja elektrolito molekules, atsakingas už degradaciją.
Rezultatas – neįprasta pusiausvyra šio tipo baterijose: didelė talpa ir mažesnis pradinis efektyvumo nuostolis. Išorinis sluoksnis riboja nekontroliuojamą apsauginės plėvelės susidarymą, neleidžiant jai „sunaikinti“ naudingą anodo erdvę.
Svarbi detalė yra medžiaga, pasirinkta šiai struktūrai. Sistema pagrįsta aktyvuota anglimi, pigia, plačiai prieinama medžiaga, kurios poveikis aplinkai yra mažesnis nei daugelio pažangių metalų junginių. Dėl to ši technologija yra ne tik laboratorinis sprendimas, bet ir realią pramoninio masto plėtros galimybę turinti alternatyva.
Rezultatai rodo akivaizdų pagerėjimą: prototipai pasiekia 82 % pradinį efektyvumą, palyginti su 18 % nepadengtų anodų efektyvumu. Tai dar nėra ličio baterijų lygis, bet žymiai sumažina atotrūkį.
Už laboratorijos ribų: kur ši technologija tinka
Šis tipo „core-shell“ dizainas atveria duris demokratiškesnėms baterijoms, skirtoms ne tik transporto priemonėms ar buitinei elektronikai, bet ir bendruomenėms, energetikos kooperatyvams ir viešosioms paslaugoms. Kaimo vietovėse ar energetikos salose, kur ličio logistika yra sudėtinga ir brangi, natris gali tapti strateginiu sąjungininku.
Vidutinės trukmės laikotarpiu gausių medžiagų, švaresnių gamybos procesų ir didesnio efektyvumo nuo pirmojo naudojimo derinys gali sumažinti saugomos kilovatvalandės kainą. Tai palengvina namų saulės energijos sistemų su baterijomis, vietinių mikrotinklų ir atsarginių sprendimų ligoninėms, mokykloms ar kritinei infrastruktūrai plėtrą.
Tai nėra revoliucija, kuri pateks į laikraščių antraštes. Tai yra kažkas tylesnio, labiau techninio. Bet būtent dėl to tai yra gilesnis dalykas: svarbus elementas kuriant energetikos sistemą, kurioje švarios energijos saugojimas yra toks pat prieinamas kaip ir jos gamyba.
