Новое исследование показывает, что коммерческая натрий-ионная батарея, производимая китайской компанией, может конкурировать с литий-ионной батареей Tesla с точки зрения стабильности производства и множества ключевых показателей производительности, что открывает перспективы для этой недорогой новой аккумуляторной технологии для ускорения ее применения в электромобилях и сетевых хранилищах энергии. Исследовательская группа отметила, что если будут достигнуты дальнейшие прорывы в области возможностей низкотемпературной зарядки и плотности энергии, ожидается, что натрий-ионные батареи станут более экономичной альтернативой в электромобилях и крупномасштабных системах хранения энергии.
Исследование, опубликованное в Cell Reports Physical Science, журнале Cell Press, основано на коммерческой натрий-ионной батарее, которая использовалась в легковых автомобилях и в крупномасштабных проектах по хранению энергии в Китае. Результаты показывают, что эта батарея, выпущенная китайской компанией Hina, близка к уровню литий-ионных батарей, используемых в настоящее время Tesla, с точки зрения единообразия производственного процесса и общей производительности. Исследователи полагают, что это открытие означает, что индустриализация натрий-ионной технологии будет быстрее, чем ожидали многие представители отрасли.
Мориц Шютте, исследователь аккумуляторов из Ахенского университета RWTH в Германии, сказал, что стабильность, высокая производительность и низкотемпературные характеристики этой партии элементов делают их привлекательными для стационарных накопителей энергии, вспомогательных сетевых служб, а также для транспортных средств на короткие расстояния или коммерческих транспортных средств, которые относительно нечувствительны к требованиям к выносливости, но больше озабочены стоимостью и обеспечением ресурсами. На материальном уровне в технологии ионов натрия в качестве основного иона, несущего ток, используется натрий вместо лития. Ожидается, что с помощью натрия, широко распространенного и более распространенного элемента, можно значительно снизить стоимость сырья для аккумуляторов и снизить долгосрочные риски в цепочке поставок.
Чтобы оценить разницу между этой натрий-ионной батареей Zhongke Hainan и усовершенствованной литиевой батареей Tesla, исследовательская группа провела систематические испытания на 120 элементах и использовала методы неразрушающего контроля, такие как электрохимическая импедансная спектроскопия, чтобы оценить их производственную стабильность. Затем команда протестировала мощность и выходную мощность аккумуляторных элементов при различных скоростях зарядки и температурах в диапазоне от -20°C до 45°C в условиях, имитирующих реальное использование. С помощью рентгенографии и анализа разборки исследователи также тщательно охарактеризовали внутреннюю структуру батареи, размер полюсного наконечника, состав материала и микроскопические особенности.
Результаты анализа показывают, что структурная конструкция натрий-ионной батареи является достаточно зрелой, в ней используются такие конструкции, как безэлектродные уши и двойные алюминиевые токосъемники, для снижения внутреннего сопротивления и улучшения равномерности распределения температуры. Его общая компоновка очень похожа на текущую архитектуру батареи Tesla. Шютте прямо заявил, что команда была «приятно удивлена» стабильностью этой партии клеток, полагая, что уровень их производства намного превзошел традиционное впечатление о «первых коммерческих продуктах с ионами натрия». При высоких скоростях выходная мощность натрий-ионной батареи также лучше, чем исследователи обычно ожидали от первых коммерческих продуктов.
Несмотря на впечатляющие характеристики, исследования также показывают, что натрий-ионные батареи по-прежнему имеют ключевые недостатки по сравнению с первоклассными литий-ионными батареями. Что касается низкотемпературной зарядки, производительность аккумулятора все еще недостаточна. Приложения, которые часто заряжаются в условиях низкой температуры окружающей среды, требуют более сложных стратегий управления температурным режимом и планов эксплуатации. Исследовательская группа также обнаружила аномально высокое и неравномерно распределенное содержание меди в локальных областях катода, что подняло дополнительные вопросы о ее роли в долгосрочных характеристиках и поведении при старении.
В настоящее время коммерческие натрий-ионные аккумуляторы по-прежнему отстают от наиболее передовых литий-ионных продуктов по плотности энергии, а зрелость соответствующих технологий также относительно низка. Тем не менее, исследования показывают, что этот тип аккумулятора по-прежнему может сохранять хорошие выходные характеристики в условиях низких температур и высоких нагрузок, что дает ему потенциальные преимущества в стационарном хранении энергии и в транспортных средствах, работающих в холодных регионах. Шютте заявил, что в будущем привлекательность натрий-ионной технологии еще больше повысится, если она сможет поддерживать конкурентоспособную плотность энергии, избавляясь при этом от зависимости от таких металлов, как никель и медь.
На следующем этапе исследовательская группа планирует сосредоточиться на улучшении характеристик зарядки натрий-ионных аккумуляторов при температуре ниже 0°C, чтобы обеспечить более безопасную и эффективную зарядку в суровых холодных условиях. В области материальных систем одним из наиболее перспективных направлений считается совершенствование рецептур твердоуглеродистых анодов и электролитов. Соответствующие исследования были профинансированы Федеральным министерством исследований, технологий и космоса Германии и Федеральным министерством экономики и энергетики. Они показывают, что европейские научные исследования и правительственные ведомства уделяют пристальное внимание потенциалу путей ионов натрия в сфере аккумуляторных технологий следующего поколения.