Naudodami natrio jonų akumuliatorius – kurie būtų alternatyva ličio jonų akumuliatoriams, naudojamiems daugumoje šiuolaikinių įrenginių, Tokijo universiteto mokslininkai panaudojo naują anglies pagrindu pagamintą elektrolitą, siekdami pagerinti natrio jonų akumuliatoriaus energijos tankį ir įkrovimo greitį.
Mokslininkai tiria natrio jonų baterijas kaip alternatyvą ličio jonų baterijoms dėl jų didesnio stabilumo ir mažos kainos, tačiau keletas kliūčių ir apribojimų stabdo šios technologijos pažangą.
Visos baterijos turi anodą ir katodą – du elektrodus, kurie nulemia, kaip srovė teka į įrenginį ir iš jo. Ličio jonų baterijose katodas daugiausia pagamintas iš grafito, nes tai puiki medžiaga ličio jonams, kurie vėliau išsikrauna, saugoti.
Tačiau natrio jonų baterijose naudojama kietoji anglis (HC) – porėtas tūkstančių „turbostratinių bazinių struktūrinių vienetų“ derinys, iš esmės sudėtinga kristalinė struktūra, kuri puikiai tinka natrio jonams saugoti. Teoriškai tai yra labai greitai įkraunama medžiaga.
Ankstesni HC tyrimai parodė, kad sunku įrodyti, jog šis teorinis įkrovimo greitis yra praktiškai įmanomas – nes jonai, patekdami į tankų elektrolitą dideliu greičiu, patiria sulėtėjimą, panašų į eismo spūstį. Tačiau naujame tyrime, paskelbtame 2025 m. gruodžio 15 d. žurnale „Chemical Science“, mokslininkai nusprendė įveikti šią kliūtį.
Ličio jonų baterijų rizikos ribojimas
Tyrėjai sujungė mažas HC koncentracijas su chemijos požiūriu neaktyvia medžiaga – aliuminio oksidu – į kombinuotą elektrodą. Tai leido jonams laisvai tekėti į HC daleles be „eismo spūsčių“ problemų.
Įveikę šią problemą, mokslininkai įrodė, kad natrio jonai gali patekti į HC panašiu greičiu kaip ličio jonai į grafito ličio jonų bateriją.
Mokslininkai taip pat nustatė, kad visą procesą stabdo greitis, kuriuo jonai užpildo „poras“ HC, kur „poros“ apibūdina procesą, kurio metu jonai sudaro pseudometalinius klasterius nanoskopinėse porose visame HC paviršiaus plote.
Atlikę kruopščią analizę, mokslininkai nustatė, kad natrio jonams šių grupių susidarymui reikia mažiau energijos. Šis atradimas rodo, kad tinkamomis sąlygomis natrio jonų baterijos, dar vadinamos SIB, gali pasiekti didesnį įkrovimo greitį nei ličio jonų baterijos.
„Svarbiausias aspektas, kuriam reikia skirti dėmesį kuriant patobulintas HC medžiagas greitai įkraunamiems SIB, yra pasiekti greitesnę porų užpildymo proceso kinetiką, kad jas būtų galima naudoti esant dideliam įkrovimo greičiui, – aiškina pagrindinis tyrimo autorius, Tokijo mokslo universiteto Taikomosios chemijos katedros profesorius Shinichi Komaba. – Be to, mūsų rezultatai rodo, kad natrio įterpimas yra mažiau jautrus temperatūrai, atsižvelgiant į mažesnę aktyvacijos energiją nei ličio įterpimas.“
Realioje aplinkoje šie rezultatai galėtų padėti natrio jonų baterijoms tapti plačiau naudojamomis tais atvejais, kai reikalingas neįtikėtinai greitas įkrovimas ar iškrovimas. Pavyzdžiui, elektros tinklo masto energijos saugojimo sistemos galėtų pasinaudoti galimybe greitai iškrauti energiją pagal poreikį. Taip pat labai svarbu, kad baterijos išliktų stabilios, kai jos naudojamos dideliu mastu atsinaujinančių šaltinių pagamintai energijai saugoti.
Natrio jonų baterijos yra saugesnės nei ličio jonų baterijos, kaip pažymėta 2025 m. Islamo technologijos universiteto, Aidaho valstijos universiteto ir Vaterlo universiteto tyrėjų atliktame tyrime. Taip yra todėl, kad jose esantys stabilūs natrio jonai yra mažiau linkę į grandininę reakciją, dėl kurios ličio jonų baterijos, kai yra pažeistos, gali užsidegti ar net sprogti.
Jungtinės Karalystės Nacionalinė gaisrininkų vadovų taryba pareiškė, kad energijos kaupimo sistemos, kuriose naudojamos ličio jonų baterijos, kelia „didžiulį gaisro pavojų“ – ypač todėl, kad užsidegusios šios baterijos negali būti lengvai užgesintos.
Terminis išplitimas – savaiminis procesas, dėl kurio ličio jonų baterijos užsidega – gali tęstis net ir be deguonies. Britų saugos taryba pažymėjo, kad užsidegusios ličio jonų baterijos kai kuriuose elektra varomuose automobiliuose gali degti valandas ar net dienas.
Jei būtų gaminamos dideliais kiekiais, tyrime išbandytos natrio jonų baterijos galėtų visiškai išvengti šių pavojų.
„Mūsų rezultatai kiekybiškai rodo, kad SIB, naudojančios HC anodą, įkrovimo greitis gali būti didesnis nei LIB [ličio jonų baterijos]“, – teigė Komaba savo pareiškime.
Parengta pagal „Live Science“.