Дослідники з Шанхайського університету Цзяо Тун в Китаї розробили нову натрієво-сірчану батарею з вищою щільністю потужності та ємністю розряду, ніж раніше, що дозволяє створити дешевшу та безпечнішу альтернативу літій-іонним батареям.
Перехід на електричну енергію спричинив зростання попиту на пристрої для зберігання енергії. Літій-іонні батареї є найбільш енергоємними рішеннями, які ми знаємо на сьогодні, і широко використовуються.
Однак проблеми з тепловим розгоном та ризики пожежі заважають їхньому використанню у великих масштабах. Більше того, зростання попиту призвело до підвищення цін на літій, що з кожним днем робить зберігання енергії все дорожчим.
Дослідники шукають альтернативи літій-іонним батареям. Натрій є дуже поширеним і може слугувати недорогою альтернативою. Він є частиною багатьох дослідницьких проектів у всьому світі, де натрій використовується в різних комбінаціях.
Дослідники з Шанхайського університету Цзяотун об'єднали натрій із сіркою, щоб створити батарею з високою енергетичною щільністю.
Проблеми з натрієво-сірчаними батареями
Це не перша спроба поєднати натрій і сірку. Батареї, виготовлені з використанням хімічних сполук Na–S або S/Na2S, вимагали великих обсягів натрію, але забезпечували низьку напругу. Окисно-відновна реакція з сіркою генерує 4 валентні електрони, створюючи напругу 3,6 В, але відтворення цієї реакції при кімнатній температурі було серйозним викликом.
За даними дослідників, реакція перетворення S/Na2S на катоді дає обмежену напругу розряду менше 1,6 В, що значно нижче, ніж у літій-іонних аналогів.
Щоб подолати цю проблему, на аноді необхідно використовувати велику кількість натрію, яка може бути в 10 разів більшою, ніж у літієвій батареї. Це суперечить меті використання дешевшого матеріалу, а також впливає на щільність енергії та потужності.
Перехід на окисно-відновну хімію S0/S4+
Дослідники розгадали загадку натрієво-сірчаної батареї, перейшовши на окисно-відновну хімію S0/S4+ і створивши високовольтні батареї без анода. Ця конструкція складається з анодного струмоприймача з алюмінієвої (Al) фольги, катода S8, диціанаміду натрію (NaDCA) в негорючому хлороалюмінатному електроліті, розділеного скловолокном.
За словами дослідників, аніон диціанаміду в електроліті допомагає розгадати хімію S/SCl4 на катоді, одночасно покращуючи оборотність нанесення/зняття натрію на аноді.
Покращена продуктивність цієї конструкції проявляється в її максимальній енергетичній щільності 1198 Вт·год/кг, розрядній ємності 715 мА·год/г і потужності 23 773 Вт/кг.
Коли дослідники додали каталізатор Bi-COF на катоді, розрядна ємність ще більше зросла до 1206 мА·год/г, а енергетична щільність — до 2021 Вт·год/кг.
З розрахунковою вартістю 5,03 долара за кВт·год, натрієво-сірчана батарея коштує на порядок менше, ніж її літієві аналоги. Безпека батареї підвищена, оскільки електроліт не є горючим.
Однак дослідникам ще потрібно вирішити кілька питань, перш ніж конструкція батареї зможе бути комерційно доступною. Електроліт, хоч і не є горючим, але має високу корозійну активність і є важким у використанні. Крім того, він є стабільним лише протягом короткого часу при контакті з повітрям, а його довгострокова стабільність на даний момент невідома.
Проте команда впевнена, що ці проблеми можна вирішити і що вони допоможуть підвищити безпеку пристроїв, починаючи від носимих пристроїв і закінчуючи системами зберігання енергії мережевого масштабу.
Результати дослідження були опубліковані в журналі
Nature.
