Что сможет заменить литий в аккумуляторах?

    Роль лития, а точнее, литий-ионных аккумуляторов в нашей жизни трудно переоценить. Они используются повсюду: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а также в наземном, водном и железнодорожном транспорте и космической технике. Литий-ионные батареи вышли на рынок в 1991 году, а уже в 2019 их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии – за революционный вклад в развитие технологий. При этом литий – дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева очень непросто найти ему замену для создания емких аккумуляторов.

    Международный коллектив ученых НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф установил, что вместо лития в аккумуляторах можно использовать натрий, «уложенный» особым способом. Натриевые батареи будут существенно дешевле, при этом не уступая по емкости литий-ионным, а в перспективе и превосходя их.

    shutterstock-765810658

    В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию – натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена – сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с ёмкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль на половину состоит из этого элемента.

    Особенный способ укладки атомов – не что иное, как расположение их в несколько слоев, один над другим. Такая структура создается путем перехода атомов из куска металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается сэндвич – слой углерода, два слоя щелочного металла, и снова слой углерода.

    DSC-8981

    «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», – рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов.
    «Из нашего моделирования следует, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, однако увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. Обратная тенденция наблюдается в случае натрия – при увеличении числа слоев натрия возрастает стабильность таких структур, это дает надежду на то, что такие материалы будут получены в эксперименте», – заключил старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН Захар Попов.

    Следующий шаг научной группы – создание экспериментального образца и изучение его в лабораторных условиях. Этим займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф. В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.

    Статья об исследовании опубликована в журнале Nano Energy.
    НИТУ «МИСиС»
    Номер один в России по материаловедению

    Комментарии 11

      +1
      Насколько я знаю, натрий в батарейках давно придумали совать вместо лития и это точно придумали не в мисисе. Ну и разрыв между DFT симуляциями и работающей батарейкой довольно большой пока.
        +1

        Филиал ада на земле — серно-натр евый аккумулятор.

        +7
        Ну… во-первых, запасы лития не так уж ограничены. Его просто уйма — но в морской воде. Впрочем, не спорю, натрия намного больше.
        Во-вторых, помимо ёмкости в mAh, есть ещё такой параметр, как вольтаж батареи. У литиевых 3,6 вольта (самых ходовых, разумеется. Бывает и 3,7, и 2,5, и 3 вольта — химия разнообразна). У натриевых, насколько я знаю, вольтаж пониже, в районе 3 вольт. Т.е. ёмкость*вольтаж даёт меньше запасаемой энергии, чем в случае литий-ионок. А у них уже и так масса на грани в автомобилях, в обычный седан/кроссовер с плотностью даже литий-ионок не получается засунуть больше 100 кВт*ч, большинство производителей упёрлись в районе 80-90 кВт*ч для среднеразмерных машин.
        И к вопросу цены. Цена на карбонат лития падает уже несколько лет, и сейчас уже на внутреннем рынке КНР тонна карбоната лития стоит в районе 5,5-6 тысяч долларов (хотя ещё несколько лет назад цены были в районе 20 тысяч), несмотря на растущий спрос и стремление многих автопроизводителей и производителей батарей законтрактовать большие объёмы.
        И снова к химии. Литий-ионки — это не только литий, это ещё куча других металлов, в зависимости от химии — кобальт, марганец, алюминий, никель, железо-фосфаты, лития в батарейке в среднем от 8 до 15%, а никеля, например, может быть 70%. И литий там — не основной по стоимости и количеству материал. Собственно, с натрием может получиться так же — то, что он дешёв и распространён, может и не снизить стоимость батареи — если стоимость остальных материалов в батарее будет высокой.
        Собственно, тенденции таковы, что миру в ближайшем будущем понадобится два вида электрических батарей — ёмкие компактные для электромобилей, и дешевые экологичные многоцикловые — для средних систем хранения энергии (ёмкостью от 50 кВт*ч для домашних систем до ~10 МВт*ч для торговых сетей/крупных суперчаржеров/парковок/ферм/удалённых от цивилизации селений). Всё, что больше по требованиям к запасаемой энергии, думаю, будет на водороде/зелёном метане. Вот для «средних» батарей натрий может и зайдёт. Отбить нишу электромобилей у лития уже вряд ли что-то сможет в ближайшее время…
          0
          Кроме ниши автомобилей есть еще ниша зеленой энергетики, которая генерирует электричество когда природа на то согласна, а не тогда, когда надо. Чтобы скомпенсировать этот недостаток, нужны аккумуляторные системы. И здесь параметр стоимости на джоуль куда важнее, чем Дж/кг и Дж/л. И даже применимы аккумуляторы, требовательные к условиям. В стационарных условиях можно много чего реализовать.
          0
          Гореть будут при повреждениях ещё сильнее, чем литиевые?..
            0

            Тут уже было куча ответов по поводу "а при чём тут МИСИС". Добавлю.


            • нет, гореть будут хуже (там же не чистый метал, да и натрий горит исключительно в воде и при сильно-насыщенном воздухе… ну т.е. в Сахаре не загорится "стопудов". А вот во Владике/Сочи — вполне возможно. В Питере — как повезёт. Да и не в чистом же виде его там будут класть — почти наверняка пойдут соли
            • МИСИС тут при чем в плане тех процесса формирования этой трёхмерной структуры (насколько я помню из других статей — около 10 лабораторий целенаправленно роет эту тему, включая МИСИС).
            0
            Наиболее перспективная замена литию – натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена – сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с ёмкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития.


            Если я правильно понял — дорогущая нано-технология укладки атомов натрия в 2 слоя сможет достичь 90% плотности энергии литиевых батарей, которые китайцы шпателем по фольге размазывают и сворачивают в рулон? А где здесь экономическая выгода? В чём смысл разработки, если даже двукратного прорыва в плотности энергии не произошло, а про ресурс вообще не сказано?
              0
              Во-первых, натрий на порядок дешевле лития. Даже когда его больше по объему. Во-вторых, вы сейчас придираетесь к конкретной цифре, первичному результату. Замечателен уже сам тот факт, что многослойная компоновка атомов в целом возможна, это просчитано, это доказано. И замечательно то, что рекордсменом (после дорогого лития) стал натрий, а не какой-нибудь редкозем из недр Тундры.
              Представьте, что вы занимаетесь производством аккумуляторов. Вас не обрадует тот факт, что вместо накопанного в далеком южноамериканском карьере лития вы можете использовать, фигурально выражаясь, половину содержимого вашей солонки?
                0
                Меня не обрадует, что плотность энергии осталась та же или стала меньше. Потому что современая электроника, от телефонов до автомобилей, упёрлась в вес и ёмкость батареи, и все ждут прорыва в запасаемой мощности. А если сделают батарею в 5 раз дешевле, но на 30% тяжелее, какой вы купите телефон — весом 180 грамм за 292 доллара с натриевой батареей, или телефон с литиевой батареей той же ёмкости, но весом 150 грамм и за 300 долларов?
              0

              Насколько я помню из общения с профессорами мичиганского университета их институт сфокусирован на поиске замены литию уже очень давно. И это было в 2014 году.
              Почему нужна замена литию с точки зрения Америки. Во-первых, в Америке нет месторождений лития, а огромные мировые запасы сосредоточены, в основном, то ли в Иране, то ли в Ливии, и если эти страны не захотят его продавать (здесь вопрос сразу и недоступности и спекуляции ценами на литий), то встанет вся электроника в США.
              Что касается использования натрия, основная проблема здесь заключается в том, что натрий-ионные аккумуляторы при зарядке увеличиваются в размерах в 4 раза. Что демонстрирует уравнение реакции процесса зарядки аккумулятора. Но тем неменее он все ещё остаётся наиболее перспективной разработкой для США, как самый распространенный активный металл на Земле. И основная доля исследований сегодня посвящена именно решению проблемы с изменением размеров аккумуляторов.

                0
                Создание натрий-ионных аккумуляторов упирается в катод, а не в анод. С анодом практически нет никаких проблем, можно взять обычный натрий и он прекрасно циклируется. А вот натриевые аналоги катодов литий-ионных аккумуляторов вообще никакие, потому что у натрия ионный радиус больше и его интеркаляция существенно хуже идёт. Поэтому все циклируют один анодный материал относительно другого (металлический натрий) и дальше это всё красивых картинок и отчетов никуда не идёт. Просто выкачивание бюджетных денег.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое