Натрий ионный аккумулятор своими руками

В Корее создали натрий-ионный аккумулятор с емкостью в 1,5 раза выше литий-ионного

Корейский институт науки и технологий (KIST) объявил, что команда доктора Санг-Ок Кима из Центра исследований в области накопления энергии разработала новый высокоэффективный и экономичный анодный материал для натрий-ионных батарей. По словам разработчиков, этот материал может хранить в 1,5 раза больше электроэнергии на единицу веса, чем графитовый анод, используемый в литий-ионных аккумуляторах.

Схема работы аккумулятора / KIST

При этом характеристики сохраняются после 200 циклов высокой скорости зарядки/разрядки 10 А/г.

Натрий-ионные батареи давно привлекли внимание исследователей благодаря тому, что их производство может обходиться на 40 % дешевле, чем выпуск литий-ионных батарей. Это объясняется тем, что натрий гораздо более распространен, чем литий. Однако по сравнению с ионами лития ионы натрия крупнее и, следовательно, не могут стабильно храниться в графите и кремнии, которые широко используются в качестве анодов в батареях. Для их эффективного применения требовался новый анодный материал большой емкости.

Исследовательская группа KIST использовала дисульфид молибдена (MoS2). MoS2 может накапливать большое количество электроэнергии, но не может использоваться из-за высокого электрического сопротивления и структурной нестабильности, которые возникают во время работы от батареи.

Схема процесса синтеза анодного материала на основе MoS2

Однако команда доктора Санг-Ок Кима решила эту проблему, создав слой керамического нанопокрытия с использованием силиконового масла, которое является недорогим и экологически чистым. Этот слой позволяет создать стабильную гетероструктуру с низким сопротивлением. Кроме того, оценка электрохимических свойств анода показала, что этот материал может стабильно хранить как минимум вдвое больше электричества (

600 мАч/г) и может поддерживать такую емкость.

Санг-Ок Ким заявил, что метод его команды адаптирован для крупномасштабного производства анодных материалов, поможет снизить производственные затраты и, следовательно, ускорить коммерциализацию натрий-ионных батарей для производства аккумуляторов, в том числе и для электромобилей.

Ранее группа из технологического университета Чалмерса в Швеции во главе с профессором Лифом Аспом продемонстрировала батареи из углеродного волокна. Конструкция батареи представляет из себя анод из углеродного волокна и катод из алюминиевой фольги, покрытый фосфатом лития и железа, которые разделены стекловолоконным сепаратором в матричном материале структурного электролита батареи. Разработчики надеются, что в будущем такие аккумуляторы можно будет встраивать в транспорт, чтобы делать его дешевле, легче и экологичнее.

Согласно отраслевому исследованию BloombergNEF 2020 года, средняя цена литий-ионных аккумуляторов за одно десятилетие упала с $ 1191 до $ 137 за кВт*ч. Ожидается, что к 2023 году цены будут близки к $ 100. Однако автомобильная отрасль начала сталкиваться с проблемой дефицита этого металла.

Источник

Российские ученые нашли дешевую и надежную замену литиевым аккумуляторам

Ученые из России разработали технологию использования натрия вместо лития в аккумуляторах. Они смогли добиться схожей емкости АКБ, что делает технологию весьма перспективной на фоне того, что натрий дешевле лития вследствие более широкого его распространения. Кроме того, батареи на его основе намного более стабильны в сравнении с литиевыми.

Достойная замена литию

Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.

Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.

Как натрий работает в аккумуляторах

В ходе исследований российские ученые выяснили, что для достижения схожей с литиевым аккумулятором емкости при использовании натрия нужно «уложить» атомы элементов определенным, многослойным способом. Они экспериментировали с трехслойной структурой – слой атомов натрия сверху и снизу был закрыт слоями графена – перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода.

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоев, находящихся один над другим. Подобная структура достигается за счет перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается своего рода «сэндвич» из слоя углерода, двух слоев щелочного металла (натрия) и дополнительного слоя углерода.

При такой структуре емкость аккумуляторов, по словам специалистов, становится схожей с емкостью стандартных литиевых батарей – 335 мАч/гр у натриевых (мАч на один грамм вещества) против 372 мАч/гр у литиевых

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

Преимущество натрия над литием при использовании в элементах питания признал даже сам Джон Гуденаф (John Goodenough), создатель литий-ионной батареи и лауреат многих престижных премий. Весной 2017 г. совместно с группой исследователей из Техасского университета США он разработал технологию твердотельного аккумулятора с повышенной плотностью энергии. Новый тип батарей выдерживает температур до -60 градусов Цельсия, не взрывается от перегрева или повреждения оболочки, а при утилизации не вредит окружающей среде. Для накапливания энергии в такой батарее вместо лития используется натрий, который можно добывать даже из морской воды.

До отказа от лития еще далеко

На момент публикации материала разработка натриевых аккумуляторов находилась на стадии подготовки к созданию экспериментального образца, который в дальнейшем будет изучаться в лабораторных условиях. Притом выполнять эти работы будут иностранные коллеги российских ученых – из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Между тем, сроки начала распространения новых АКБ, даже примерные, специалисты не называют. Технология Джона Гуденафа, даже по прошествии более трех лет с момента анонса, тоже пока не применяется в производстве батарей.

Другая разработка «МИСиС»

В августе 2019 г. специалисты «МИСиС» разработали еще одну альтернативу литиевым элементам питания. Как сообщал CNews, они придумали принцип использования растения «борщевик» при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

По задумке ученых из МИСиС, в качестве сырья для производства электродов суперконденсаторов должны использоваться только стебли борщевика. Для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов, к примеру, обработку в соляной кислоте и насыщение углекислым газом.

Источник

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Команда ученых из министерства энергетики США и Университета Уханя (Китай) разработала технологию изготовления натрий-ионных аккумуляторов, которые могут стать дешевым и эффективным накопителем электричества, поступающего от альтернативных источников энергии.

Как известно, для надежного подключения солнечных и ветряных источников энергии в национальную электрическую сеть требуется аккумулятор, который сможет отдавать электричество в момент простоя генераторов. Литий-ионные аккумуляторы, широко распространенные на рынке потребительской электроники, слишком дороги для такого использования. Натриевые аккумуляторы дешевы, но современные натрий-серные аккумуляторы работают при температурах выше 300 градусов по Цельсию, что снижает их емкость и создает серьезные проблемы по обеспечению безопасности таких батарей.

Группа ученых постаралась совместить достоинства обоих типов аккумуляторов и создать новый тип – натрий-ионную батарею с дешевым натриевым электролитом и электродами из литиевых батарей. Натрий-ионный аккумулятор работает при комнатной температуре и использует ионы натрия, т.е. обычную поваренную соль. Новая технология позволит создавать дешевые натриевые аккумуляторные батареи, для крупномасштабного использования в национальных электросетях.

Рис. 1. Нанопровода в электроде из оксида марганца
обеспечивают беспрепятственный проход крупным
ионам натрия.

Больше всего ученым пришлось поработать над электродами, «позаимствованными» у литий-ионных аккумуляторов. Эти электроды изготовлены из оксида марганца, атомы, которого образуют множество отверстий и тоннелей, в которые проходят ионы лития во время работы аккумулятора. Свободное передвижение ионов лития позволяет батарее накапливать или отдавать электричество. Однако простая замена ионов лития на ионы натрия невозможна – последние на 70% крупнее и не проходят сквозь поры оксида марганца.

Чтобы найти способ решить эту проблему и увеличить размер пор в электроде, исследователи обратились к наноматериалам. Наиболее привлекательным оказался путь создания нанопроводов на основе оксида марганца, по которым ионы натрия могли бы беспрепятственно скользить и не зависеть от размера пор в электроде. Экспериментируя с различными условиями формирования нанопроводных электродов и контролируя результаты с помощью сканирующего электронного микроскопа, ученым удалось при температуре 750 градусов по Цельсию изготовить идеально ровные кристаллы оксида марганца.

Прототип натрий-ионного аккумулятора с новыми электродами показал пиковую емкость в 128 миллиампер-часов на грамм материала электрода, что превосходит предыдущий «рекорд» в 80 миллиампер-часов на грамм. Кроме того, новый аккумулятор демонстрирует достаточную для потребительского использования долговечность: после 100 циклов зарядки-разрядки, он потерял только 7% своей емкости, а после 1000 – 23%.

Единственный недостаток натрий-ионного аккумулятора заключается в том, что чем быстрее он заряжается, тем меньше энергии он может накопить. Ученые предполагают, что это связано с медленным движением ионов натрия. Для решения этой проблемы планируется создать еще более мелкие нанопровода, которые смогут обеспечить быструю зарядку и разрядку в условиях городской электросети.

Источник

На Токе заряженный портал

Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы

Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы

Литий-ионные электронакопители сегодня можно встретить везде — они получили весьма широкое распространение среди масс. Такие изделия устраивают многих пользователей, однако технический прогресс не стоит на месте и рано или поздно, всенародно любимый литий-ион таки придётся чем-то заменять. Вариантов скажем так не мало и все они естественно имеют как свои преимущества перед Li-ion, так и недостатки.

Одним из самых многообещающих кандидатов на место наследника является натрий-ионный (Na-ion) накопитель, о котором собственно, мы и будем говорить в данной теме.

Содержание:

• Развитие Na-ion.
• Проблемы с натрий-ионом.
• Идеальный «чудо-аккумулятор».
• Перспективы Na-ion батарей.

Развитие Na-ion

Реально, переход на новые разновидности источников питания назрел уже давно. Чтобы прогрессировать в различных сферах, особенно это касается автомобильной промышленности, нужны недорогостоящие и ёмкие электронакопители, а вот литий прибавляет в цене с каждым годом и вдобавок, вещество химически весьма активно и пожароопасно.

По результатам исследований учёные сделали выводы, что натриевые АКБ могут заменить Li-ion который сегодня используется в электронных девайсах и некоторых типах электрокаров. Но здесь акцент стоит сделать на том, что электроды должны быть выполнены именно из железа. Железо, а также натрий имеют широкое распространение в природе, поэтому если пустить их в ход, то себестоимость продукции снизится, а плотность энергии останется на уровне Li-ion накопителей.

В ноябре 2017 года французы из Electrochemical Energy Storage представили усовершенствованный Na-ion электроаккумулятор форм-фактора 18650, с напряжением 3,5 V и ёмкостью 90 Вт*ч/кг. Также устройство предлагает 2000 рабочих циклов без значительной потери ёмкости, по времени, это приблизительно 10 лет эксплуатации.

В 2019 году огромная натрий-ионная АКБ обладающая мощностью 100 кВт-ч была испытана китайскими учёными. Внушительных размеров батарея имеет в своём составе более чем 600 соединённых Na-ion аккумуляторных компонентов и отвечает за питание здания исследовательского центра.

Проблемы с натрий-ионом

Отличная идея, заменить натрием литий в производстве аккумуляторных батарей, однако не всё так просто оказалось с этой затеей. Всё дело застряло на размерах атомов элементов: как оказалось, атом лития во много раз меньше атома натрия, поэтому первый непринуждённо влезет туда, куда второй не поместится. Электрод будет просто не в состоянии аккумулировать ионы натрия. Именно это обстоятельство и стало камнем преткновения в обсуждаемой технологии.

Na-ion всё ещё пребывает в стадии разработки и профессора трудятся над продлением срока его эксплуатации, снижением времени зарядки и более высокой мощностью. Сегодня акцент сделан на усовершенствованиях конструкций Na-ion электробатарей, а конкретно, на выборе оптимальной структуры электрода и нахождении экологически безвредных материалов.

Идеальный «чудо-аккумулятор»

Такого изделия на данный момент нет в природе и не предвидится в ближайшее время. В основе источника питания лежит электрохимический процесс, поэтому приходится принимать во внимание ограничения плотности мощности и непродолжительный срок эксплуатации. Пользователи желают получить в своё распоряжение неиссякаемый запас энергии заключённый в скромном объёме, который должен быть доступным по цене, чистым и не опасным для окружающих.

За последние 150 лет аккумуляторные батареи совершенствовались не так интенсивно, как другие технологии. Современные серийные электронакопители держат относительно немного энергии, они громоздкие и служат не так долго, как хотелось бы.

Перспективы Na-ion батарей

В принципе, запасов лития на нашей планете ещё достаточно много, но ему будет тяжело покрыть нарастающий спрос на дешёвые источники энергии. Поэтому разработчики уже сейчас ищут более дешёвые альтернативы Li-ion АКБ.

Весьма перспективным направлением является Na-ion технология. Натрий на планете можно обнаружить практически везде и что самое главное, он будет обходиться намного дешевле лития. К примеру, вещество в больших объёмах содержится в морской воде и его можно легко извлекать оттуда, а можно и из поваренной соли.

Na-ion обладает практически теми же энергетическими характеристиками, что и литий-ион, однако натрий приблизительно в сотню раз дешевле лития! Также, весомым плюсом натрий-иона является то, что они могут безвредно разряжаться в ноль. Это делает их транспортировку и хранение более безопасными.

Натрий-ионные электронакопители функционируют по той же схеме, что и Li-ion изделия. Натрий так же эффективно теряет электроны и весьма приемлем для создания анода. Но у Na-ion имеет место существенный минус — весьма продолжительное время заряда и разряда. Такие девайсы берут и отдают слишком низкий ток, которого недостаточно для приведения в движение автомобильного электромотора.

Как уже было сказано выше, исследователи столкнулись с проблемой в виде слишком больших размеров ионов натрия, но всё же им удалось обойти это препятствие. Из-за того, что ионы натрия на 25% больше литиевых, они перемещаются не спешно и с затруднениями встраиваются в структуру электродов. Другая химическая активность и увеличенные атомы натрия обуславливают изменение устройства АКБ. Чтобы Na-ion мог иметь такой же показатель плотности энергии как у Li-ion, анод натриевого накопителя энергии должен удерживать большее число ионов.

Коллектив японских учёных под руководством Шиничи Комаба, разработал специальный материал, путём смешивания оксида железа, оксида натрия и оксида марганца. Этот порошок поместили в капсулу и нагревали двенадцать часов при температуре 900 градусов.

Ёмкость произведённой батареи — 190 мА•ч на 1 г при среднем напряжении 2,75 V. Катод можно изготовить из углерода либо диоксида титана и поднять тем самым напряжение до 3 V. Приблизительно такой показатель напряжения может дать пара батареек AA.

В распоряжении источника питания электроды, собранные из большого количества слоёв, а между ними солидный зазор, по которому словно по автобану и будут в ускоренном режиме передвигаться не малых размеров ионы натрия. Такая схема даёт возможность живей вводить электроны в решётку электродов и также быстро извлекать их оттуда. Новый электронакопитель демонстрирует высокую производительность: плотность тока в тысячу раз больше, чем у большинства других Na-ion источников энергии.

Это устройство обладает большой ёмкостью при максимальных токах: 72 мА·ч/г. При промежуточных значениях плотности тока (1 А/г), новое изобретение демонстрирует весьма шикарную ёмкость — до 160 мА·ч/г. Такой показатель сравним с лучшими Li-ion АКБ. Продолжительность жизни натрий-ионных электронакопителей также не подкачала: большое количество рабочих циклов при удержании 70% ёмкости. Говоря другими словами, машине оборудованной электротягой, с пробегом на одном заряде 200 километров, Na-ion АКБ прослужит 5-10 лет без значительного снижения характеристик.

Ещё одними преимуществом Na-ion является то обстоятельство, что они не имеют нужды в кобальте, который всё ещё нужен для Li-ion АКБ. Кроме того, натрий-ионные накопители энергии могут выпускаться на тех же производственных мощностях, что и литий-ионная продукция.

В то же время, изготовление Na-ion АКБ небольших размеров, может быть сложной задачей. Однако и крупные электронакопители могут быть полезны. К примеру, их можно использовать в сохранении ветровой либо солнечной энергии, здесь натрий-ион является идеальной кандидатурой.

Также, для Na-ion был создан новый твёрдый электролит в основе которого бороводороды. Применяя его, учёные из Швейцарии создали полностью твёрдый и стабильный источник питания с напряжением 3 V.

Заключение

Как видим, альтернативы литий-иону разрабатываются постоянно, но на данный момент сложно сказать, какая именно разновидность АКБ потеснит его на рынке в дальнейшем. Натрий-ион без сомнений, является достойным претендентом на это место, но, он ещё не имеет требуемых характеристик. Естественно, работы по его усовершенствованию ведутся и вряд ли разработчики занимающиеся развитием этой технологии упустят шанс выделиться на рынке.

Ну а нам остаётся только ждать, когда в продаже появятся Na-ion элементы с характеристиками литий-иона и сказочными ценниками при этом.

Источник