...

Akumulatory sodowo-jonowe

27 stycznia 2022
Akumulatory sodowo-jonowe

Od około dekady naukowcy i inżynierowie opracowują akumulatory sodowe, które zastępują lit i kobalt – stosowane w obecnych akumulatorach litowo-jonowych – tańszym, bardziej przyjaznym dla środowiska sodem. Niestety, we wcześniejszych akumulatorach sodowych element zwany anodą miał tendencję do tworzenia włókien przypominających igłę, tzw. dendrytów, które mogą powodować zwarcie elektryczne w akumulatorze, a nawet doprowadzić do zapłonu lub eksplozji.

W 2021 r. naukowcy z University of Texas w Austin opracowali nowy materiał akumulatorowy na bazie sodu, który jest bardzo stabilny, a jednocześnie zdolny do ładowania tak szybko jak tradycyjny akumulator litowo-jonowy. Ten rodzaj akumulatora ma potencjał do dostarczania większej ilości energii niż obecne technologie akumulatorowe.W jednym z dwóch ostatnich udoskonaleń akumulatorów sodowych wprowadzonych przez UT Austin nowy materiał rozwiązuje problem dendrytów i ładuje się tak szybko, jak akumulator litowo-jonowy. Zespół opublikował swoje wyniki w czasopiśmie „Advanced Materials”.

Zasadniczo rozwiązujemy dwa problemy naraz – powiedział dr David Mitlin, profesor z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Laboratorium Badań Stosowanych w Cockrell School of Engineering, który zaprojektował nowy materiał. – Zazwyczaj im szybciej ładujesz, tym więcej powstaje dendrytów. Więc jeśli powstrzymasz wzrost dendrytów, możesz szybciej ładować i rozładowywać akumulator, ponieważ staje się to jest to bezpieczne.

Graeme Henkelman, profesor na Wydziale Chemii i Instytucie Inżynierii Obliczeniowej i Nauk w Oden, wykorzystał model komputerowy, aby wyjaśnić z teoretycznego punktu widzenia, dlaczego materiał ten ma wyjątkowe właściwości. – Ten materiał jest również ekscytujący, ponieważ metaliczna anoda sodowa ma teoretycznie najwyższą gęstość energii ze wszystkich anod sodowych – powiedział Henkelman.

Rośnie zapotrzebowanie na stacjonarne systemy magazynowania energii dla godpodarstw domowych oraz na wygładzenie przypływów i odpływów energii wiatrowej i słonecznej w sieciach elektrycznych. Jednocześnie wydobycie litu zostało skrytykowane ze względu na jego wpływ na środowisko, w tym intensywne zużycie wód gruntowych, zanieczyszczenie gleby i wody oraz emisję dwutlenku węgla. Baterie litowo-jonowe zazwyczaj wykorzystują również kobalt, który jest drogi i wydobywany głównie w Demokratycznej Republice Konga, gdzie ma duży, niszczący wpływ na ludzkie zdrowie i środowisko. Dla porównania wydobycie sodu jest tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska.

Mitlin jest przekonany, że ta nowa innowacja i inne odkrycia z UT Austin, w tym nowy stały elektrolit, który zwiększa możliwości magazynowania energii, będą oznaczać, że baterie sodowe mogą wkrótce być w stanie zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na stacjonarne magazynowanie energii.
Podczas ładowania akumulatora jony (takie jak lit lub sód) przemieszczają się z jednego elementu, zwanego katodą, do drugiego, zwanego anodą. Kiedy bateria jest wykorzystywana do oddawania zmagazynowanej energii elektrycznej (można powiedzieć, że w czasie przemieszczania się jonów następuje wytwarzanie energii elektrycznej), jony przemieszczają się z anody z powrotem do katody.

Nowy materiał anodowy, zwany międzymetalicznym tellurkiem sodowo-antymonowym – kompozytem metalicznym Na (NST-Na), jest wytwarzany przez walcowanie cienkiej blachy metalicznego sodu na proszek z tellurku antymonu, składanie go na siebie i wielokrotne powtarzanie. Proces ten skutkuje bardzo równomiernym rozmieszczeniem atomów sodu, co sprawia, że jest mniej podatny na tworzenie dendrytów lub korozję powierzchniową niż istniejące anody sodowo-metalowe. Dzięki temu bateria jest bardziej stabilna i umożliwia szybsze ładowanie, porównywalne z szybkością ładowania baterii litowo-jonowej. Ma również wyższą pojemność energetyczną niż istniejące akumulatory sodowo-jonowe.

Henkelman powiedział, że jeśli atomy sodu przenoszące ładunek w akumulatorze sodowym wiążą się ze sobą silniej niż z anodą, mają tendencję do tworzenia niestabilności lub grudek sodu, które przyciągają więcej atomów sodu i ostatecznie prowadzą do powstania dendrytów. Wykorzystał symulację komputerową, aby odkryć, co się dzieje, gdy poszczególne atomy sodu wchodzą w interakcję z nowym materiałem kompozytowym NST-Na. – W naszych obliczeniach ten kompozyt wiąże sód nieco silniej niż sam sód, co stanowi idealne warunki, aby atomy sodu opadły i równomiernie rozłożyły się na powierzchni, zapobiegając tworzeniu się tych niestabilności – powiedział Henkelman.

Dr David Mitlin, Yixian Wang i Hui Dong wraz z UT Austin złożyli wniosek patentowy na produkcję, strukturę i funkcjonalność nowego materiału anodowego z metalu sodowego.
Badania te były możliwe dzięki wsparciu National Science Foundation i The Welch Foundation.

Źródło: The University of Texas at Austin

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika