Sukurtas stabilus natrio jonų akumuliatorius su kietu elektrolitu

Sukurtas naujas kietas elektrolitas iš borovandenilio, skirtas natrio jonų akumuliatoriams. Jį panaudoję, mokslininkai iš Šveicarijos sukūrė itin stabilų kietą 3 V įtampos akumuliatorių, rašoma „Energy & Environmental Science“ publikuotame straipsnyje.

Daugumoje šiuolaikinių prietaisų, – išmaniuosiuose telefonuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir netgi elektromobiliuose – energijos kaupimui naudojami ličio jonų akumuliatoriai. Jų populiarumą lemia didelė energijos talpa. Tačiau mokslininkai naginėja ir akumuliatorių gamybą ir iš kitų medžiagų. Viena iš perspektyviausių medžiagų – daug pigesnis natris.

Natrio jonų akumuliatorių ir ličio jonų akumuliatorių sandara iš esmės vienoda. Juose yra anodas ir katodas, atskirtas elektrolitu, per kurį juda metalo (ličio ar natrio) jonai. Akumuliatoriui išsikraunant, metalo jonai juda link katodo, o elektronai – link anodo. Akumuliatorius įkraunant, procesai vyksta priešinga kryptimi. Tokių akumuliatorių problema – metalas ant elektrodo gali nusėsti netolygiai ir susidaryti dendritai – forma medžius primenančios kristalinės ataugos. Dendritai gali pažeisti anodą nuo katodo skiriantį separatorių, ir taip sukelti trumpą sujungimą, dėl kurio akumuliatorius gali užsidegti ar net sprogti.

Mokslininkai šią problemą visaip stengiasi išspręsti, taip pat ir akumuliatoriais, kuriuose elektrolitas trukdo susiformuoti dendritams. Šveicarijos federalinio medžiagų ir technologijų tyrimų instituto (Empa) mokslininkai, vadovaujami Arndto Remhofo, nusprendė suderinti natrio jonų akumuliatorių žaliavos pigumą ir kietųjų elektrolitų saugumą. Jie sukūrė naują, gerai natrio jonus praleidžiantį elektrolitą iš klozoborato (closo-borate) Na₂(B₁₂H₁₂)_0,5(B₁₀H₁₀)_0,5.

Akumuliatoriaus sandara
©Léo Duchêne et al., / „Energy & Environmental Science“, 2017

Panaudodami jį, mokslininkai surinko akumuliatorių, kuriame anodas iš natrio, o katodas iš NaCrO₂. Tam jie supresavo elektrolito miltelius ir katodo miltelius, į kuriuos iš anksto buvo pridėta šiek tiek Na₂(B₁₂H₁₂)_0,5(B₁₀H₁₀)_0,5. Prie gautos medžiagos jie pritaisė natrio foliją ir surinko akumuliatoriaus gardelę. Tyrėjai išbandė jos elektrochemines savybes ir išsiaiškino, kad jos įtampa yra 3 voltai, o talpa ~85 mAh/g. Akumuliatorius po 250 įkrovimo-iškrovimo ciklų penkių valandų iškrovos režimu (C/5) išlaikė ~80 % talpos.

2015 metais JAV fizikai sukūrė stabilesnį katodą natrio jonų akumuliatoriams iš eldefelito, o neseniai kita amerikiečių mokslininkų grupė sukūrė tokio tipo akumuliatoriams katodą, kurį naudojant, galima pasiekti talpą, panašią į ličio jonų akumuliatorių, tik daug pigiau pagaminamus. Tyrėjai neseniai taip pat pasiūlė naują kovos su dendritų susidarymu ličio jonų akumuliatoriuose metodą – pridėti į jų elektrolitus nanodeimantų – susidaro gerokai daugiau dendritų augimo taškų, ir taip užtikrinamas tolygus metalo nusėdimas.