Натриевая батарея на основе водорослей, способная выдерживать 1000 циклов зарядки

0 0

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 Advanced Materials.

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.

Натриевая батарея на основе водорослей, способная выдерживать 1000 циклов зарядки
Схема нанокристаллического сепаратора из целлюлозы для натриевых батарей.

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.

Источник: new-science.ru
Оставить комментарий

Мы используем файлы cookie. Продолжив использование сайта, вы соглашаетесь с Политикой использования файлов cookie и Политикой конфиденциальности Принимаю

Privacy & Cookies Policy