Akumulator sodowo-jonowy 12.03.2015

Chemicy stworzyli baterię sodowo-jonową, która działa tak samo dobrze jak bateria litowo-jonowa, do której jesteśmy przyzwyczajeni.

Kilka lat temu sugerowano, że nadszedł czas, aby ludzkość pomyślała o zbliżającym się niedoborze, ale nie o ropie i gazie, którego zwykle się boimy, ale o niedoborze metalu alkalicznego - litu. W naszym życiu pojawia się coraz więcej urządzeń elektronicznych i wszelkiego rodzaju gadżetów. A wszystkie z nich, od telefonu komórkowego po samochód elektryczny, wykorzystują energię elektryczną zmagazynowaną w akumulatorach. Większość z nich to akumulatory litowo-jonowe. Dziś jest to najpopularniejszy rodzaj akumulatorów. I choć w najbliższym czasie raczej nie zobaczymy wojen o złoża litu, to jego koszt może wzrosnąć. A to oznacza, że ​​czas pomyśleć o tańszych bateriach, które wykorzystywałyby inne ogniwa. Deweloperzy stawiają na najbliższego krewnego litu w układzie okresowym - sód, jako o wiele bardziej powszechny i ​​niedrogi metal.

Dlaczego nie możesz po prostu wziąć i zastąpić litu w baterii sodem? Chodzi o wielkość atomową. Chociaż lit i sód mają bardzo podobne właściwości chemiczne, atom sodu jest znacznie większy niż atom litu. I okazuje się, że ma krytyczne znaczenie dla działania baterii. Bateria litowa ma dwie elektrody, jedną wykonaną z węgla lub grafitu, a drugą z tlenku metalu, takiego jak kobalt. Jony litu służą jako nośnik ładunku między elektrodami, dlatego w rzeczywistości nazywane są bateriami litowo-jonowymi. Podczas ładowania jony litu są uwalniane z elektrody z tlenku metalu i przechodzą do drugiej elektrody, która jest wykonana z węgla.

Wielkość atomów litu jest taka, że ​​można je łatwo zintegrować ze strukturą elektrody. Proces ten nazywa się interkalacją, podczas której jony metali „ściskają” między atomowymi warstwami grafitu. Podczas rozładowania zachodzi proces odwrotny – jony litu opuszczają elektrodę grafitową i wracają na drugą elektrodę.

Kluczowym punktem tego elektrochemicznego procesu jest po prostu włączenie jonów do elektrody. Im szybciej i łatwiej mija, tym większa może być moc chwilowa. Jeśli proces jest powolny, bateria nie będzie w stanie dostarczyć prądu potrzebnego do działania urządzenia. Na tym właśnie polega trudność w opracowaniu akumulatora sodowo-jonowego. Elektroda węglowa nie jest odpowiednia, ponieważ jony sodu, ze względu na swój rozmiar, bardzo niechętnie integrują się ze strukturą grafitu.

Dlatego elektrochemicy szukają materiałów elektrodowych, które nadają się do konwencjonalnej elektroniki. W końcu można zrobić baterię na jonach sodu i będzie działać, chodzi o to, że nie będzie tak mała, pojemna i mocna jak lit. Ale to moc i rozmiar są najważniejszymi parametrami dla urządzeń mobilnych.

Zespół naukowców pod kierunkiem profesora Yong Lei z Politechniki Ilmenau w Niemczech opracował materiał, z którego można wykonać elektrodę w akumulatorze sodowo-jonowym, dzięki czemu nie będzie on gorszy od litu pod względem mocy i pojemności.

Najpierw chemicy przeanalizowali, jakie właściwości powinien mieć materiał elektrody, aby zapewnić skuteczne wprowadzenie jonów sodu. Wybór padł na sprzężone związki aromatyczne klasy trans-stilbenów. Posiadają zdolność przenoszenia ładunku, są stabilne podczas ładowania i rozładowywania akumulatora oraz tworzą warstwy międzycząsteczkowe, pomiędzy które z łatwością można wprowadzić sód.

Chemicy sprawdzili, jak dobrze sprawdzi się elektroda wykonana z takiego materiału i okazało się, że przy średniej gęstości prądu 1 A/g pojemność wyniesie 160 mAh/g, co w niczym nie ustępuje akumulatorom litowo-jonowym. Akumulator spisał się również dobrze w teście wytrzymałościowym, zachowując 70% pojemności po 400 cyklach ładowania i rozładowania. I choć komercyjna realizacja projektu jest jeszcze odległa, uzyskane wyniki wskazują, że akumulatory sodowo-jonowe mają prawo do życia i mogą w zasadzie zastąpić znane już akumulatory litowo-jonowe.