Натрій замість літію
Хіміки зробили натрій-іонний акумулятор, який працює нітрохи не гірше звичного нам літій-іонного.
Фото: Intel Free Press / Flickr.
У новому акумуляторі, розробленому в Технічному університеті Ільменау, іони натрію (Na +) в електроді вбудовуються між шарами, утвореними з молекул 4,4-стільбендікарбоксалата. Такий матеріал електрода дозволяє домогтися ємності і потужності аку
Переважна більшість сучасних акумуляторів для мобільних пристроїв зроблено на основі літію. Фото: Hublera / Flickr
Чому не можна просто взяти і замінити в акумуляторі літій на натрій? Вся справа в атомних розмірах. Хоч літій і натрій дуже схожі за своїми хімічними властивостями, атом натрію істотно більше атома літію. І це виявляється критичним для роботи акумуляторної батареї. У літієвому акумуляторі є два електроди, один з яких зроблений з вуглецю або графіту, а інший з оксиду металу, наприклад, кобальту. Переносником заряду між електродами служать іони літію, чому, власне, їх називають літій-іонними акумуляторами. Під час підзарядки з метал-оксидного електрода вивільняються іони літію і рухаються до другого електроду, який зроблений з вуглецю. Розмір атомів літію такий, що вони можуть легко вбудовуватися всередину структури електрода. Цей процес називається Інтеркаляція, в ході якого іони металу «пруться» між атомними шарами графіту. Під час розрядки відбувається зворотний процес - іони літію залишають графітний електрод і повертаються в другій електрод.
Ключовий момент цього електрохімічного процесу - як раз вбудовування іонів всередину електрода. Чим він швидше і легше проходить, тим більше може бути миттєва потужність. Якщо процес протікає повільно, акумулятор не зможе дати потрібний для роботи пристрою струм. З цим якраз пов'язані труднощі розробки натрій-іонного акумулятора. Вуглецевий електрод не підходить, тому що іони натрію через свого розміру вкрай неохоче вбудовуються в структуру графіту. Ось чому електрохіміків шукають такі матеріали для електродів, які були б придатні для роботи звичайної електронної техніки. Адже зробити акумулятор на іони натрію можна, і він буде працювати, все питання в тому, що він не буде таким маленьким, ємним і потужним як літієвий. А адже саме потужність і розмір - це найголовніші параметри для мобільних пристроїв. Група дослідників, очолювана професором Юн Лей (Yong Lei) з Технічного університету Ільменау в Німеччині, придумала матеріал, з якого можна зробити електрод в натрій-іонному акумуляторі, так що він не буде поступатися літієвих по потужності і ємності.
Спочатку хіміки проаналізували, якими властивостями повинен володіти матеріал електрода, щоб забезпечити ефективне впровадження іонів натрію. Вибір припав на зв'язані ароматичні сполуки класу транс-стильбенів. Вони мають здатність переносити заряд, стійкі при заряджання і розрядки акумулятора і утворюють міжмолекулярні шари, між яких з легкістю може впроваджуватися натрій. Хіміки перевірили, наскільки добре буде працювати електрод з такого матеріалу і виявилося, що при середній щільності струму в 1 А / г ємність складе 160 мАг / г, що нічим не поступається літій-іонним акумуляторам. Батарея також непогано впоралася з перевіркою на витривалість, зберігши 70% ємності після 400 циклів зарядки-розрядки. І хоча до комерційної реалізації проекту ще далеко, досягнуті результати свідчать про те, що натрій-іонні акумулятори цілком мають право на життя і можуть в принципі замінити звичні вже Li-ion батареї.