Разработан новый твердый электролит для натрий-ионных аккумуляторов на основе бороводородов. С его помощью швейцарские ученые создали полностью твердый и стабильный аккумулятор с напряжением три вольта, сообщается в исследовании швейцарских ученых, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science.

Большинство современных устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и даже электромобили, используют в качестве источника энергии литий-ионные аккумуляторы. Их популярность обусловлена в первую очередь высокой емкостью. Но ученые рассматривают и другие материалы для создания аккумуляторов. Одним из перспективных материалов считается гораздо более дешевый натрий.

Натрий-ионные аккумуляторы устроены таким же образом, как и литий-ионные. Они состоят из анода и катода, разделенного электролитом, через который перемещаются ионы металла (лития или натрия). Во время разрядки ионы металла перемещаются к катоду, а электроны к аноду. Во время зарядки процессы идут в обратном направлении. Проблема таких аккумуляторов заключается в том, что металл может осаждаться на электрод неравномерно и образовывать дендриты — кристаллические отростки древовидной формы. Эти дендриты могут разрушать сепаратор, который отделяет анод от катода, из-за чего может произойти короткое замыкание, которое, в свою очередь, может вызвать возгорание или даже взрыв аккумулятора.

Léo Duchêne et al., / Energy & Environmental Science, 2017

Ученые разрабатывают разные пути решения этой проблемы, в том числе аккумуляторы с твердым электролитом, который препятствует образованию дендритов. Исследователи под руководством Арндта Ремхофа (Arndt Remhof) из Швейцарского федерального исследовательского института материаловедения и технологий (Empa) решили совместить низкую стоимость сырья для натрий-ионных аккумуляторов и безопасность твердотельных электролитов. Для этого они разработали новый электролит с высокой проводимостью натриевых ионов, состоящий из клозобората Na₂(B₁₂H₁₂)_0.5(B₁₀H₁₀)_0.5.

Устройство аккумулятора. Léo Duchêne et al., / Energy & Environmental Science, 2017

На его основе они собрали аккумулятор с натриевым анодом и катодом из NaCrO₂. Для этого они спрессовали порошок электролита и порошок для катода, в который предварительно также добавили небольшую долю Na₂(B₁₂H₁₂)_0.5(B₁₀H₁₀)_0.5. К полученному материалу они добавили натриевую фольгу и собрали аккумуляторную ячейку. Исследователи протестировали ее электрохимические свойства, и выяснили, что ее напряжение составляет три вольта, емкость около 85 миллиампер-часов на грамм. При этом аккумулятор сохраняет около 80 процентов емкости после 250 циклов зарядки-разрядки в режиме пятичасового разряда (C/5).

В 2015 году американские физики создали более стабильный катод для натрий-ионных аккумуляторов на основе эльдфеллита, а недавно другая группа американских ученых разработала другой катод для аккумуляторов такого типа, который позволит достичь емкости, сравнимой с литий-ионными аккумуляторами при гораздо меньшей стоимости производства. Также недавно исследователи предложили новый метод борьбы с образованием дендритов в литий-ионных аккумуляторах — добавлять в их электролит наноалмазы, которые значительно увеличивают количество точек роста на поверхности электрода, и тем самым обеспечивают равномерное осаждение металла.

Автор: Григорий Копиев