Натриевая батарея на основе водорослей, способная выдерживать 1000 циклов зарядки
Группе британских исследователей под руководством Бристольского университета удалось создать новый и особенно прочный сепаратор для аккумуляторов из целлюлозных наноматериалов, полученных из бурых водорослей. Это изобретение может проложить путь к созданию более экологичного и эффективного устройства хранения энергии, чем существующие литий-ионные батареи.
Литий-ионные батареи, которые широко используются сегодня, требуют добычи редких материалов (лития, а также кобальта, никеля или марганца). Поэтому ученые пытаются разработать не менее эффективные альтернативы, в частности, натриевые батареи. "Благодаря своей высокой теоретической емкости и изобилию, натрий является наиболее привлекательной альтернативой литию в качестве анодного материала для экономически эффективных, энергоемких систем хранения энергии", — объясняют исследователи в журнале .
Имея теоретическую емкость 1165 мАч/г, металлические натриевые батареи являются одной из наиболее перспективных недорогих и высокопроизводительных систем хранения энергии. Однако одним из главных препятствий на пути их развития является неконтролируемый рост дендритов - твердых натриевых "шипов", которые пронизывают разделительную мембрану между двумя электродами и вызывают короткое замыкание. Другим недостатком является срок их службы. Электрохимические реакции, на которых основаны циклы заряда/разряда, замедляются гораздо быстрее, чем в литиевых батареях. Происходят вторичные реакции, электролит истощается, и батарея теряет свою емкость. В настоящее время исследователи предлагают решение этой проблемы.
Нанокристаллы целлюлозы, извлеченные из водорослей
Цель сепаратор аккумулятора - разделить функциональные части системы (положительный и отрицательный концы) и обеспечить свободный перенос заряда, объясняет Цзин Ванг, докторант Бристольского института композитов и первый автор исследования, описывающего эту новую технику.
Основываясь на результатах предыдущей работы в Бристольском университете и в сотрудничестве с Имперским колледжем и Университетским колледжем Лондона, команде удалось создать сепаратор из целлюлозных наноматериалов, полученных из бурых водорослей. Такой подход позволяет избежать вышеупомянутых проблем: волокна, содержащие эти наноматериалы, не только предотвращают проникновение кристаллов натриевых электродов в сепаратор, но и улучшают емкость и эффективность батарей.
Для создания нового сепаратора исследователи пропитали полиэфиримидные волокна нанокристаллами целлюлозы (добываемой из водорослей) диаметром около 10 нанометров и длиной 200 нанометров. Затем этот композитный материал был превращен в чрезвычайно тонкие заряженные проволоки путем электроспиннинга. Эти провода позволяют сформировать гораздо более прочный сепаратор. Следует отметить, что нанокристаллы целлюлозы могут быть получены и из других материалов (древесины, льна и т.д.), но нанокристаллы из водорослей имеют то преимущество, что они относительно длинные.
Такой подход увеличивает срок службы натриевых батарей - ключевого компонента для питания таких устройств, как мобильные телефоны, на гораздо большее время, отмечает Ванг.
Более чистые и устойчивые накопители энергии
В ходе испытаний команда обнаружила, что эта батарея может сохранять невероятную долговременную стабильность, поддерживая высокую плотность энергии на протяжении 1000 циклов. "Примечательно, что беспрецедентно длительное циклирование при высоких плотностях тока (≥ 1000 ч при 1 и 3 мА/см2, ≥ 700 ч при 5 мА/см2) симметричных элементов достигается в карбонатных электролитах без добавок", — сообщают исследователи.
Команда надеется, что их исследование поможет разработать натриевые батареи, которые гораздо более экологичны в производстве. "Эта работа демонстрирует, что более экологичные формы хранения энергии возможны, и их производство не наносит ущерба окружающей среде", — сказал профессор Стив Эйххорн, возглавлявший исследование в Бристольском институте композитов. Литий не только добывается в неблагоприятных условиях (в таких странах, как Чили, Боливия и Аргентина), но и чрезвычайно загрязняет окружающую среду и требует больших затрат воды.
Кроме того, мир все чаще обращается к аккумуляторам как способу ухода от ископаемого топлива, но литий - не неисчерпаемый источник! Поскольку дефицит неизбежен, существует острая необходимость в разработке альтернатив, основанных на изобилии и устойчивости ресурсов. Используемый здесь натрий можно легко добыть из морской воды, как и бурые водоросли, используемые для изготовления сепаратора.
"Эта работа открывает новый и легкий путь для разработки стабильных, недорогих и безопасных натриево-металлических батарей, который может быть легко распространен на батареи из других щелочных металлов", — заключают исследователи.