Що саме виявили вчені
Команда на чолі з професором Янгом Чжао з Університету Вестерн (Western University) вдалася до нестандартного підходу: вони створили твердий електроліт, що проводить іони натрію подібно до рідини, але не запалюється. У випробуваннях батарея показала Кулонну ефективність 99,26% після 600 циклів заряджання при 0,1C (розряд упродовж 10 годин) – результат, який наближається до показників сучасних літій-іонних систем.
Як це працює
У звичайних літій-іонних акумуляторах електроліт – це органічна рідина, що забезпечує високу енергоємність та швидке заряджання, але є легкозаймистою. При короткому замиканні або механічному пошкодженні вона може спровокувати так зване теплове розгортання (thermal runaway) – ланцюгову реакцію розігріву, що призводить до пожеж і вибухів.
Нове рішення замінює цю рідину твердим матеріалом зі сіркою й хлором, який дозволяє іонам рухатися ефективно, але не піддається запалюванню. Для перевірки руху іонів і місцевого хімічного середовища вчені скористалися Канадським джерелом світла (Canadian Light Source) – національним синхротроном у місті Саскатун, провінція Саскачеван. Синхротронні установки дають змогу «побачити» структуру матеріалів і шляхи руху частинок у наддрібному масштабі, що звичайні лабораторні прилади не завжди дозволяють.
Переваги та обмеження натрієвих акумуляторів
Натрієві акумулятори мають кілька явних переваг. Натрій – значно більш поширений і дешевший елемент, ніж літій, тому масштабне виробництво таких батарей може знизити витрати на ланцюг постачання. Крім того, натрієві системи містять стабільніші матеріали катода і мають менший електрохімічний потенціал, через що менше схильні до теплових аварій. Дослідження 2023 року також вказувало, що натрієві батареї простіше утилізувати і переробляти, бо в них менше небезпечних домішок і відсутні важкі метали в тих кількостях, що характерні для деяких літієвих конструкцій.
Втім, є й недоліки. Натрієві батареї традиційно поступаються літієвим за енергоємністю – вони зберігають менше енергії на ту саму масу або об’єм, отже між зарядами пройдеться менший пробіг. Також раніше вони деградували швидше і мали менший строк служби. Завдання вчених – знайти баланс між безпекою та енергоємністю та розробити технологію, яку можна недорого виготовляти у великому обсязі.
Де це може змінити гру
Автори роботи вбачають у натрієвих батареях потенціал для застосувань, де на першому місці стоїть безпека та економічна ефективність: стаціонарні системи зберігання енергії (BESS), мережі відновлюваної енергетики, а також деякі сегменти електротранспорту. Після низки пожеж на електростанціях зберігання енергії в Каліфорнії регулятори й оператори стали ретельніше придивлятися до безпеки BESS і вимагати додаткових систем пожежогасіння. Нетривкі літій-іонні блоки створюють складнощі саме для великих мереж із батарей, тоді як натрієві могли б знизити такі ризики.
Контекст і промислові кроки
За оцінками, близько 70% перезаряджуваних батарей у світі – літій-іонні, і попит на літій значною мірою формується сектором енергетики. Міжнародне енергетичне агентство (IEA) відзначає, що енергетичний сектор забезпечує понад 90% попиту на літій-іонні акумулятори. Водночас великі гравці ринку вже тестують натрієві рішення: CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Limited), найбільший у світі виробник батарей, оголосив у 2024 році про платформу Naxtra і планує серійне виробництво натрієвих модулів для автомобілів з 2026 року; китайська компанія BYD розробляє натрієві системи для мережевого зберігання енергії.
Хто стоїть за дослідженням
Професор Янг Чжао – науковець зі Школи інженерних наук Університету Вестерн у Лондоні, Онтаріо. Університет Вестерн відомий сильними програмами в галузі матеріалознавства й інженерії. Співробітництво зі synchrotron’ом Canadian Light Source в Саскатуні дало змогу отримати детальні рентгенівські знімки й проаналізувати внутрішню структуру матеріалу в реальному часі – такий доступ до передових джерел випромінювання часто вирішальний при розробці твердих електролітів.
Що далі
Наступні кроки для команди – показати, що їхній підхід можна масштабувати промисловим способом, зберігши довговічність та енергоємність, які потрібні для масових застосувань, зокрема в електромобілях та великих установках зберігання енергії. Паралельно промислові виробники тестуватимуть формфи та конструкції, щоб інтегрувати нові матеріали у існуючі виробничі лінії без значного подорожчання продукції.
