Дешевле и быстрее одновременно: в натрий-ионных аккумуляторах вскрылась деталь, ломающая рынок

Аккумуляторные технологии редко оказываются в центре внимания, пока от них напрямую не начинает зависеть привычный ритм жизни. На фоне развития электромобилей, возобновляемой энергетики и распределённых сетей хранения энергии скорость зарядки и доступность сырья выходят на первый план. Именно здесь натрий-ионные аккумуляторы неожиданно демонстрируют серьёзный потенциал. Об этом сообщает Chemical Science.

Почему мир ищет замену литию

Литий-ионные аккумуляторы уже много лет остаются отраслевым стандартом. Они используются в смартфонах, ноутбуках, электрокарах и домашних накопителях энергии. Однако у этой технологии есть уязвимость — литий относится к ограниченным и дорогим ресурсам, а его добыча и переработка всё чаще становятся предметом геополитических и экологических дискуссий.

На этом фоне внимание исследователей всё активнее смещается к натрию. Этот элемент распространён повсеместно, дешевле в добыче и не требует сложных цепочек поставок. Для систем хранения энергии, которые должны работать в масштабе городов и стран, такой фактор может оказаться решающим — так же, как и другие подходы к оптимизации энергопотребления, включая снижение энергопотерь в промышленности за счёт цифровых технологий.

Твёрдый углерод и скрытое преимущество натрия

До недавнего времени считалось, что натрий-ионные аккумуляторы уступают литиевым по скорости зарядки. Ситуацию изменила работа учёных из Токийского научного университета. Они показали, что при использовании анода из так называемого твёрдого углерода натрий-ионные элементы могут заряжаться быстрее сопоставимых литий-ионных батарей.

Твёрдый углерод представляет собой материал с неупорядоченной и пористой структурой. Микроскопические поры внутри него способны удерживать значительное количество ионов натрия. Это позволяет компенсировать различия в размерах ионов и приближать энергоёмкость натрий-ионных аккумуляторов к уровню современных литиевых решений на графите.

Как удалось измерить реальную скорость зарядки

Одной из ключевых проблем в исследованиях аккумуляторов остаётся методика испытаний. В реальных электродах активные вещества плотно упакованы и дополнены связующими компонентами. При быстрой зарядке ионы начинают "мешать" друг другу, образуя так называемые ионные пробки, которые замедляют процесс и маскируют истинные свойства материала.

Чтобы исключить этот эффект, исследователи применили метод разбавленного электрода. Частицы твёрдого углерода смешивали с неактивным веществом, обеспечивая каждой из них свободный доступ к ионам. Такой подход позволил напрямую сравнить скорость проникновения ионов натрия и лития в идентичных условиях.

Что показали эксперименты

Результаты оказались однозначными: ионы натрия перемещаются внутри твёрдого углерода быстрее, чем ионы лития. Более того, скорость зарядки таких натрий-ионных аккумуляторов оказалась сопоставимой или даже выше, чем у литий-ионных элементов с графитовым анодом — промышленного стандарта последних лет.

Учёные также определили узкое место процесса. После первичного прикрепления к поверхности ионы проникают в поры и формируют кластеры. Именно заполнение пор оказалось самым медленным этапом. Для натрия этот процесс требует меньших энергетических затрат, чем для лития, что и объясняет разницу в скорости зарядки.

"Это исследование даёт чёткие доказательства того, что натрий-ионные аккумуляторы обладают не только ценовым преимуществом, но и реальными выигрышами в производительности", — отметил профессор Шиничи Комаба из Токийского научного университета.

Перспективы для энергетики будущего

Сочетание быстрой зарядки, стабильной работы и доступных материалов делает натрий-ионные аккумуляторы особенно интересными для крупных энергосистем. В условиях, когда мир ищет новые источники и формы хранения энергии — от аккумуляторов до природного водорода — такие технологии могут сыграть ключевую роль в снижении зависимости от дефицитных ресурсов.

По мере совершенствования материалов на основе твёрдого углерода натрий-ионные аккумуляторы всё ближе подходят к массовому внедрению. Это открывает путь к более устойчивой, дешёвой и гибкой энергетической инфраструктуре, способной отвечать запросам ближайших десятилетий.