Бъдещите акумулатори - натрий вместо литий

Преди няколко години беше изказано предположението, че е време човечеството да помисли по въпроса за предстоящия скорошен недостиг на един метал. Не става дума за недостига на въглеводородни горива, с който постоянно ни плашат, а за дефицитния литий. В ежедневието ни електронните устройства става все повече. И всяко от тях – от мобилния телефон до електромобилите – използват електроенергия, която съхраняваме в батерии. Повечето от тези акумулатори са литий-йонни – най-разпространените батерии днес. И макар в близко бъдеще да не ни очакват войни за достъпа до места, където се добива металът литий, може да се очаква стойността му да се повиши драстично. Това е достатъчен повод да се търси вариант за по-евтини батерии, в които да се използват други, по-разпространени химически елементи. Основните заместители би трябвало да се търсят в близките до лития в периодичната система и най-вече натрият, Като много по-разпространен и евтин метал.

Защо е невъзможно просто да заменим лития с натрий и нещата да се получат? Всичко опира до размерите на атомите. По химични свойства литият и натрият си приличат, но натриевият атом е значително по-голям от литиевия. Тази разлика се оказва критична за използването им в акумулатори.

В литиевите батерии има два електрода, единият от които е от въглерод (т.е. графит), а другият е от метален окис – например, кобалтов диоксид. За пренасяне на заряда между електродите се използват литиеви йони, затова и акумулаторите се наричат литиево-йонни.

По време на зареждането от метал-оксидния електрод се отделят литиеви йони, които се придвижват към електрода, изработен от въглерод. Размерът на литиевите атоми е такъв, че могат лесно да се “вградят” в структурите на електрода. Процесът се нарича интеркалация – временно вмъкване на металните йони между атомите в графита. По време на разреждането на батерията се извършва обратният процес – литиевите йони напускат графитния електрод и се връщат към метално-оксидния.

Ключовият момент в целия електрохимичен процес е вмъкването на йоните в графитния електрод. Колкото по-бързо и лесно протича процеса, толкова по-голяма е моментната мощност, която може да се черпи в последствие от батерията. Ако протичането е бавно, акумулаторът няма да е в състояние да произвежда ток с достатъчна мощност за работа на устройствата. Това е препятствието пред разработването на натрий-йонни акумулатори. Въглеродният електрод не е подходящ, защото йоните на натрия, заради размера си, много трудно се вграждат в структурата на графита.

Затова химиците търсят такива материали за електрод, които да са пригодни за направата на акумулатори за обикновените електронни устройства. На практика не е проблем да се направят батерии с натриеви йони. Ще работят, но проблемът е в това, че няма да е възможно да са толкова леки, тънки и с достатъчна мощност като литиевите. А за захранване на мобилни устройства се търсят точно преимущества като компактност и мощност.

Група изследователи, водена от професор Юн Лей (Yong Lei) от Техническия университет Илменау в Германия, е измислила материал, от който може да се изработва единият от електродите в натрий-йонен акумулатор, така че батерията да не отстъпва по мощност и капацитет на литиевите.

За начало химиците анализират какви свойства трябва да притежава материала за електрода, за да гарантира ефективно внедряване на натриевите йони. Спират избора си ароматни съединения от класа на транс стилбените. Те имат способността да пренасят заряд, устойчиви са при разреждане и зареждане на акумулатора и образуват междумолекулярни слоеве, между които натриевите йони се вграждат без затруднения.

Химиците извършват проверка колко добре ще работи електрода от такъв материал и се оказва, че при средна плътност на тока от 1 А/g капацитетът му е около 160 mAh/g, което по нищо не отстъпва на литий-йонните акумулатори. Батерията се справя много добре и проверката за издържливост, като след 400 цикъла на зареждане/разреждане запазва способността си да се зарежда до 70% от началния си капацитет.

Проектът е все още далеч от възможностите за масова реализация за търговски цели. Но постигнатите резултати са доказателство, че натрий-йонните акумулатори имат своето бъдеще и по принцип са способни да заменят нормалните за днешните устройства Li-ion батерии.