Батареи на основе натрия и калия обещают дешевое энергосбережение

30 June 2018

Из электромобилей, которые путешествуют на сотни миль за один заряд до бензопилы, столь же могущественных, как и версии с газовым двигателем, новые продукты попадают на рынок каждый год, чтобы воспользоваться преимуществами последних достижений в области аккумуляторных технологий.

Но этот рост привел к опасениям, что мировые поставки лития, металла в основе многих новых перезаряжаемых батарей, в конечном итоге могут быть истощены.
Теперь исследователи из Технологического института Джорджии нашли новые доказательства, свидетельствующие о том, что батареи, основанные на натриевом и калиевом суставах, обещают в качестве потенциальной альтернативы литиевым батареям.
«Одним из самых больших препятствий для натриевых и калий-ионных батарей было то, что они имеют тенденцию к разложению и деградации быстрее и имеют меньше энергии, чем альтернативы», - сказал Мэтью Макдауэлл, доцент в Школе машиностроения им. Джорджа У. Вудраффа и Школа материаловедения и техники.
«Но мы обнаружили, что это не всегда так», - добавил он.
Для исследования, которое было опубликовано 19 июня в журнале Joule, спонсировалось Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, исследовательская группа рассмотрела, как три разных иона - литий, натрий и калий - реагируют с частицами сульфида железа, также называемого пиритом и дурацким золотом.
Когда батареи заряжаются и разряжаются, ионы постоянно реагируют и проникают в частицы, составляющие электроды батареи. Этот процесс реакции вызывает большие изменения объема частиц электрода, часто разбивая их на мелкие кусочки. Поскольку ионы натрия и калия больше лития, традиционно считалось, что они вызывают более значительную деградацию при взаимодействии с частицами.
В своих экспериментах реакции, которые происходят внутри батареи, непосредственно наблюдались внутри электронного микроскопа, причем частицы сульфида железа играют роль электрода батареи. Исследователи обнаружили, что сульфид железа был более стабильным во время реакции с натрием и калием, чем с литием, что указывает на то, что такая батарея на основе натрия или калия может иметь гораздо более продолжительный срок службы, чем ожидалось.
Различие между тем, как разные ионы реагировали, было резко визуально. При воздействии на литий частицы сульфида железа, по-видимому, почти взрывались под электронным микроскопом. Напротив, сульфид железа расширялся как воздушный шар при воздействии натрия и калия.
«Мы видели очень надежную реакцию без перелома - что-то, что говорит о том, что этот материал и другие материалы, подобные его, могут использоваться в этих новых батареях с большей стабильностью с течением времени», - сказал Мэтью Бобингер, аспирант Georgia Tech.
Исследование также ставит под сомнение представление о том, что большие изменения объема, которые происходят во время электрохимической реакции, всегда являются предшественником разрушения частиц, что приводит к потере электрода, приводящему к деградации батареи.

Исследователи предположили, что одна из возможных причин различия в том, как разные ионы реагируют с сульфидом железа, состоит в том, что литий с большей вероятностью сконцентрирует свою реакцию вдоль острых кубических краев частицы, тогда как реакция с натрием и калием была более диффузной вдоль всей поверхности частицы сульфида железа. В результате частицы сульфида железа при взаимодействии с натрием и калием получили более овальную форму с закругленными краями.
Несмотря на то, что еще предстоит проделать большую работу, новые результаты исследований могут помочь ученым разработать батареи, которые используют эти типы новых материалов.
«Литиевые батареи по-прежнему остаются наиболее привлекательными сейчас, потому что они имеют наибольшую плотность энергии - вы можете упаковать много энергии в этом пространстве», - сказал Макдауэлл. «Натрий и калиевые батареи в этот момент не имеют большей плотности, но они основаны на элементах, в тысячу раз более распространенных в земной коре, чем в литии. Поэтому они могут быть намного дешевле в будущем, что важно для крупномасштабной энергетики хранилище - резервное питание для домов или энергетическая сеть будущего ».