Замена лития на натрий в батареях приведет к удешевлению элементов питания.

Фото: Pixabay

Электроника
Инструменты
Шрифты

Международная группа ученых установила, что вместо лития (Li) натрий (Na), «сложенный» особым образом, может быть использован для производства батарей. Натриевые батареи будут значительно дешевле и эквивалентно или даже более емкими, чем существующие литиевые батареи.

Трудно переоценить роль литий-ионных батарей в современной жизни. Эти аккумуляторы используются повсеместно: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а также в различных типах транспортных средств и космических кораблях. Литий-ионные аккумуляторы появились на рынке в 1991 году, а в 2019 году их изобретатели были удостоены Нобелевской премии по химии за революционный вклад в развитие технологий. В то же время литий является дорогим щелочным металлом, и его запасы ограничены во всем мире. В настоящее время не существует эффективной альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий является одним из самых легких химических элементов, его очень трудно заменить, чтобы создать емкие батареи.

Команда ученых из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС, РАН и научно-исследовательского центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф под руководством профессора Аркадия Крашенникова предлагает альтернативу. Они обнаружили, что если атомы внутри образца «сложены» определенным образом, то щелочные металлы, не только литий, также демонстрируют высокую энергоемкость. Наиболее многообещающей заменой для лития является натрий (Na), поскольку двухслойное расположение атомов натрия в биграфеновом сэндвиче демонстрирует емкость анода, сравнимую с емкостью обычного графитового анода в литий-ионных батареях - около 335 мА*ч/г против 372 мА*ч/г для лития. Однако натрий встречается гораздо чаще в природе, чем литий, и поэтому он дешевле и его легче получить.

Особый способ сложения атомов на самом деле подразумевает размещение их один над другим. Эта структура создается путем переноса атомов из куска металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, которое имитирует процесс зарядки аккумулятора. В итоге это выглядит как бутерброд, состоящий из слоя углерода, двух слоев щелочного металла и еще одного слоя углерода.

Илья Чепкасов, исследователь Лаборатории неорганических наноматериалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС, говорит: «Долгое время считалось, что атомы лития в батареях могут находиться только в одном слое, иначе система будет нестабильной. Несмотря на это, недавние эксперименты наших немецких коллег показали, что при тщательном выборе методов возможно создание многослойных стабильных структур лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы для наращивания потенциала таких структур. Поэтому мы были заинтересованы в изучении возможности формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе натрием, с помощью компьютерного моделирования».

Захар Попов, старший научный сотрудник Лаборатории неорганических наноматериалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС, говорит: «Наше моделирование показывает, что атомы лития намного сильнее связываются с графеном, но увеличение количества слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается противоположная тенденция - с увеличением количества его слоев - стабильность таких структур возрастает, поэтому мы надеемся, что такие материалы будут получены в эксперименте».

Следующим шагом исследовательской группы является создание экспериментального образца и его изучение в лаборатории. Это будет сделано в Институте твердотельных исследований им. Макса Планка, Штутгарт, Германия. В случае успеха это может привести к появлению нового поколения Na-батарей, которые будут значительно дешевле и эквивалентно или даже более емкими, чем литий-ионные (Li-ion) батареи.

Полное исследование доступно в журнале Nano Energy.

Источник: New Atlas / The National University of Science and Technology MISIS