Ученые из Китая объявили о значительном прорыве в области аккумуляторов, разработав металлическую натриевую батарею, способную полностью зарядиться всего за четыре минуты. Эта новая система продемонстрировала высокую стабильность при прохождении тысяч часов испытаний. Результаты были официально опубликованы в мае этого года в научном издании Nano-Micro Letters.
Основная цель этой инновации — преодолеть одно из главных препятствий, присущих этому типу батарей: образование дендритов. Это микроструктуры, которые могут вызывать короткие замыкания и, следовательно, резко снижать долговечность ячеек. Для смягчения этой проблемы исследовательская группа создала полутвердый гелевый электролит.
Если полученные результаты смогут быть воспроизведены в промышленных масштабах, эта технология имеет потенциал расширить варианты, доступные по сравнению с литий-ионными батареями, особенно в секторе электромобилей. Это обусловлено как потенциально более низкой стоимостью натрия, так и значительно сокращенным временем зарядки.
Металлические натриевые батареи рассматриваются как очень многообещающая альтернатива существующим технологиям, поскольку они используют более доступный и менее дорогой материал по сравнению с литием. Кроме того, эксперты отмечают, что эта модель батареи имеет меньший риск возгорания по сравнению с традиционными системами на основе литий-ионов.
Исторически коммерческое внедрение этих батарей сталкивалось с серьезным препятствием: во время циклов зарядки атомы натрия имеют тенденцию осаждаться на металлическом аноде, образуя так называемые дендриты. Со временем эти структуры растут до контакта между внутренними электродами, что приводит к короткому замыканию и выходу батареи из строя.
Чтобы бороться с этой проблемой, исследователи создали квазитвердый электролит под названием Sn-FB QSE. Согласно исследованию, этот материал обеспечивает более устойчивую внутреннюю архитектуру, минимизирует трещины в защитном слое, который естественным образом образуется при использовании батареи, и затрудняет появление дендритов.
Лабораторные испытания показали, что батарея функционировала более шести тысяч часов циклов заряда и разряда без коротких замыканий, вызванных такими структурами. В другом тесте устройство было полностью заряжено за четыре минуты, демонстрируя удельную емкость 80,1 миллиампер-час на грамм.
Данные, представленные авторами, показывают, что при увеличении периода зарядки до двадцати минут батарея сохранила около 90% своей емкости после двух тысяч полных циклов. Эта производительность приближается к теоретически ожидаемой для литий-ионных батарей, но с явным преимуществом более быстрого процесса зарядки.
Скорость зарядки является критическим фактором для расширения использования электромобилей. В то время как некоторые современные модели уже предлагают быструю зарядку, они требуют инфраструктуры высокой мощности. С другой стороны, большая часть электромобилей все еще нуждается в значительно более длительных промежутках зарядки. Исследователи также подчеркивают, что литий-ионные батареи остаются преобладающими в смартфонах, компьютерах и электромобилях, но зависят от таких сырьевых материалов, как литий и кобальт, приобретение которых более дорогостоящее. Кроме того, этот тип батареи более подвержен явлению теплового разгона, которое вызывает пожары в случае повреждения.
Металлические натриевые батареи стремятся сочетать положительные качества традиционных натриевых батарей и литий-ионных батарей. Используя металлический натрий в аноде вместо графита или твердого углерода, они могут обеспечить меньший вес и снизить затраты, сохраняя при этом уровень безопасности, связанный с обращением с ионами натрия. Однако исследование подчеркивает, что до коммерческого внедрения технологии остаются важные проблемы. Ученые утверждают, что крайне важно подтвердить воспроизводимость экспериментов и оценить их производительность при различных температурах — условие, жизненно важное для применения в автомобилях и электронном оборудовании.
Исследователи из Мичиганского университета разработали новую методологию для оптимизации управления батареями электромобилей. Это исследование, опубликованное в журнале Joule, сосредоточено на литий-ионных батареях, использующих комбинацию кремния и графита, с целью продления их срока службы за счет динамической терморегуляции.
Предложенная система интегрируется непосредственно в транспортное средство и способна анализировать данные о заряде, которые естественным образом генерируются во время использования. Основываясь на этой информации, она точно определяет моменты, когда кремний в ячейках батареи наиболее подвержен износу. Проводя этот анализ, система начинает динамически вмешиваться, регулируя температуру батареи в соответствии с поведением внутренних компонентов, нагревая или охлаждая блок в зависимости от наиболее активного материала, что минимизирует износ с течением времени.
Этот проект получил поддержку от General Motors и Имперского колледжа Лондона, а также финансирование от Национального научного фонда. Результаты указывают на значительный потенциал увеличения долговечности батарей, применяемых в электромобилях.
Исследование основано на том факте, что современные батареи объединяют графит и кремний, причем последний является материалом, способным удерживать примерно в десять раз больше лития. Однако кремний демонстрирует большую хрупкость во время процессов заряда и разряда. Чживэнь Ван, аспирантка, ответственная за исследование, подчеркнула, что прогресс зависит от сочетания материала и операционного контроля, утверждая, что передовые материалы достигнут своего максимального потенциала только в том случае, если они будут интеллектуально управляться после интеграции в реальные продукты.
Исследование показало, что точка действия кремния не является постоянной; она колеблется в зависимости от того, как используется транспортное средство, варьируясь от 33% до 73% уровня заряда, что изменяет идеальную стратегию управления. Анна Стефанопулу, старший соавтор, пояснила, что существующие системы обычно работают с фиксированными параметрами, но их работа прокладывает путь к системам управления с активной диагностикой.
Тесты также продемонстрировали, что кремний может подвергаться расширению до 300% при полных циклах заряда, что приводит к образованию трещин и потере активного материала с течением времени. Кроме того, ученые заметили, что температура влияет на старение по-разному: тепло способствует производительности во время активного использования, в то время как высокие температуры в состоянии покоя ускоряют внутреннюю деградацию. Джейсон Сигел, участвовавший инженер, подчеркнул важность выборочного контроля, поскольку температура должна применяться целенаправленно.
Предложенный механизм использует это поведение для нагрева батареи, когда кремний наиболее активен, и охлаждения ее, когда доминирует графит или когда автомобиль стоит на месте. Эта тактика специально ограничена ситуациями медленной зарядки, такими как те, которые проводятся от бытовых розеток или в общественных местах с низкой мощностью.
