Первая в мире твердотельную батарея натрия без анодов

а) Схема ячейки для углеродных анодов, сплавных анодов и конфигурации без анодов.б) Сравнение теоретической плотности энергии для различных материалов анода натрия.c) Схема, иллюстрирующая требования для обеспечения предоставления беспроблемной аккумулятора.Кредит: Лаборатория для хранения и конверсии энергии

Учикаго Притцкер Молекулярная инженерия Профессор Ю. Ширли Мэн Лаборатория хранения и преобразования энергии создала первую в мире солидный натрие.

С помощью этого исследования LESC-сотрудничество между Учикаго Притцкер Школой молекулярной инженерии и Калифорнийским университетом Сан-Диего Департамент семейства химических и нано-инженеров Сан-Диего-принес реальность недорогого, быстрого зарядки, батареи с высокой вместимостью батареиДля электромобилей и сетки сетки ближе, чем когда -либо.

«Несмотря на то, что были предыдущие батареи натрия, твердого штата и без анодов, никто не смог успешно объединить эти три идеи до сих пор»,-сказал кандидат наук Калифорнийского университета в Сан-Диего.Кандидат Грейсон Дейшер, первый автор новой газеты с изложением работы команды.

Бумага, опубликованная сегодня в Nature Energy, демонстрирует новую архитектуру батареи натрия со стабильной ездой на несколько сотен циклов.Сняв анод и используя недорогой, обильный натрий вместо лития, эта новая форма батареи будет более доступной и экологически чистой для производства.Благодаря своей инновационной твердотельной конструкции батарея также будет безопасной и мощной.

Эта работа является как продвижением в науке, так и необходимым шагом для заполнения разрыва масштабирования батареи, необходимых для перехода мировой экономики от ископаемого топлива.

«Чтобы Соединенные Штаты работали в течение одного часа, мы должны производить один час энергии в Тераватт», - сказал Мэн.«Чтобы выполнить нашу миссию по декарбонизации нашей экономики, нам нужно несколько сотен тераваттных часов батарей. Нам нужно больше батарей, и они нам нужны быстро».

Литий, обычно используемый для батарей, не так распространен.Он составляет около 20 частей на миллион земной коры, по сравнению с натрием, который составляет 20 000 частей на миллион.

Этот дефицит, в сочетании с всплеском спроса на литий-ионные батареи для ноутбуков, телефонов и электромобилей, заставили стремительно расти цены, что ставит необходимые батареи дальше.

Литиевые отложения также сконцентрированы.«Литий -треугольник» Чили, Аргентины и Боливии имеет более 75% мирового поставки лития, а другие месторождения в Австралии, Северной Каролине и Неваде.Это приносит пользу некоторым странам над другими в декарбонизации, необходимых для борьбы с изменением климата.

«Глобальные действия требуют совместной работы для доступа к критически важным материалам», - сказал Мэн.

Экстракция лития также наносит экологически чистый, будь то из промышленных кислот, используемых для разрушения руды, или более распространенной экстракции рассола, которая накачивает огромное количество воды на поверхность, чтобы высохнуть.

Натрий, распространенный в океанской воде и добыче газированной золы, является более экологически чистым материалом батареи.Исследование LESC также сделало его мощным.

Чтобы создать батарею натрия с плотностью энергии литийной батареи, команде нужно было изобретать новую архитектуру батареи натрия.

Традиционные батареи имеют анод для хранения ионов во время зарядки батареи.В то время как батарея используется, ионы текут из анода через электролит к токовому коллектору (катоду), питанию и автомобилям по пути.

Без анодов батареи удаляют анод и сохраняют ионы на электрохимическом осаждении щелочного металла непосредственно на током коллекторе.Этот подход обеспечивает более высокое напряжение клеток, более низкую стоимость клеток и повышенную плотность энергии, но вызывает свои собственные проблемы.

«В любой батареи без анодов должен быть хороший контакт между электролитом и текущим коллекционером»,-сказал Дейшер.«Это, как правило, очень легко при использовании жидкого электролита, так как жидкость может течь повсюду и намочить каждую поверхность. Твердый электролит не может этого сделать».

Тем не менее, эти жидкие электролиты создают наращивание, называемое сплошным электролитным интерфазой, в то же время постоянно потребляя активные материалы, снижая полезность батареи с течением времени.

Команда приняла новый, инновационный подход к этой проблеме.Вместо того, чтобы использовать электролит, который окружает ток -коллектор, они создали ток -коллектор, который окружает электролит.

Они создали свой текущий коллекционер из алюминиевого порошка, твердого вещества, которое может течь как жидкость.

Во время цикла сборочного батареи порошок уплотняли под высоким давлением, чтобы сформировать коллектор твердого тока, сохраняя при этом жидкий контакт с электролитом, обеспечивая недорогую и высокоэффективную езду на велосипеде, который может продвинуть эту технологию, изменяющую игру.

“Твердовые батареи натрия обычно рассматриваются как технология далекой вкусовой, но мы надеемся, что эта статья может оживить больше толчка в зону натрия, демонстрируя, что она действительно может работать хорошо, даже лучше, чем литийВерсия в некоторых случаях », - сказал Дейшер.

Конечная цель?Мэн представляет собой энергетическое будущее с различными чистыми, недорогими вариантами аккумулятора, которые хранят возобновляемую энергию, масштабируемые в соответствии с потребностями общества.

Meng и Deysher подали заявку на патент на свою работу через Управление по инновациям и коммерциализации Калифорнийского университета в Сан -Диего.

More information: Grayson Deysher et al, Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9