Недавнее исследование, проведенное Арндтом Ремхофом из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий, Empa, демонстрирует потенциал натрия и магния в разработке альтернативных технологий, основанных исключительно на твердых элементах. Его команда создала экспериментальные компоненты батарей на основе этих металлов.
Смена материала
Швейцарские исследователи разработали твердотельные аккумуляторные элементы с использованием твердого соединения (в отличие от элементов, основанных на жидком электролите), конструкция которых представляет собой серьезную техническую проблему.
Ионы – будь то литий, натрий или магний – должны проходить через твердую среду. Перемещаясь от одного полюса к другому внутри батареи, ионы (положительный заряд) способствуют перемещению электронов (отрицательный заряд) и, таким образом, разрядке электрического тока через внешнюю цепь.
Чтобы облегчить перемещение ионов, исследователи разработали твердые электролиты с кристаллической структурой. Заменив литий на натрий или магний, команде Арндта Ремхофа пришлось полностью пересмотреть свою кристаллическую архитектуру и использовать новые компоненты и производственные процессы.
«Мне всегда нравится сравнивать нашу работу с работой футбольного тренера», – говорит Арндт Ремхоф. "Вы можете объединить лучшие элементы, но если вы не оптимизируете настройки, вы не добьетесь хороших результатов!"
Натрий: дешевый материал
Команда Арндта Ремхофа разработала твердый электролит, который обеспечивает хорошую подвижность ионов натрия при 20 градусах. Этот последний момент имеет решающее значение: ионам требуется источник тепла для движения, а инициирование реакции при комнатной температуре представляет собой техническую проблему. Электролит также негорючий и химически стабилен до 300 градусов, что решает различные проблемы безопасности, связанные с литий-ионными батареями. Команда Ханса Хагеманна из Женевского университета параллельно работает над разработкой более дешевой технологии производства этого нового твердого электролита.
В отличие от лития, у натрия огромные запасы: это один из двух компонентов поваренной соли. «Доступность – наш ключевой аргумент», – говорит Лео Дюшен из Empa и первый автор исследования. «Однако он хранит меньше энергии, чем эквивалентная масса лития, и поэтому может оказаться хорошим решением, если размер батареи не является фактором для его применения."
Магний: идеальный, но сложный материал
Эта же команда разработала твердый электролит на основе магния. До сих пор в этой области проводилось очень мало исследований.
Тот факт, что этот элемент гораздо сложнее привести в движение, не означает, что он менее привлекателен: он доступен в изобилии, он легкий и нет риска взрыва. Но что еще более важно, ион магния имеет два положительных заряда, а у лития только один.
По сути, это означает, что он хранит почти вдвое больше энергии в том же объеме.
Некоторые экспериментальные электролиты уже использовались для стимуляции движения ионов магния, но при температурах выше 400 градусов. Электролиты, используемые швейцарскими учеными, уже зарегистрировали аналогичную проводимость при 70 градусах. «Это новаторское исследование и подтверждение концепции», – говорит Эльза Родерн из Empa, руководившая экспериментами. «Мы все еще далеки от полного и функционального прототипа, но мы сделали первый важный шаг к достижению нашей цели."
В проекте Novel Ionic Conductors участвуют исследователи из Empa, Женевского университета, Института Пауля Шеррера и Института ядерной физики им.
Генрика Неводничански в Польше. Он финансируется Швейцарским национальным научным фондом с 2015 года в рамках программы Sinergia, которая поддерживает совместные и междисциплинарные исследования. "То, что нам удалось достичь менее чем за два года, совершенно необычно!"говорит Арндт Ремхоф.