В постоянном поиске материалов для новых и улучшенных батарей натрий как дешевый и широко распространенный вариант демонстрирует новые возможности.
Новая конструкция Вашингтонского университета в Сент-Луисе демонстрирует решение, поскольку тонкий слой меди выполняет роль одного из электродов, в результате чего батарея становится значительно меньше и дешевле в производстве без ущерба для производительности.
Литий - ионная батарея имеет два электрода, называемых катодом и анодом, которые передают ионы в растворе электролита друг другу во время зарядки и разрядки устройства. Ученые изучали, как металлический натрий может заменить литий, а также как эти конструкции могли бы работать без анодного компонента.
«Мы использовали старую химию», - сказал Пэн Бай, руководивший исследованием. «Но проблема в том, что с этой хорошо известной химией никто никогда не доказывал, что эта безанодная батарея может иметь разумный срок службы. Они всегда выходят из строя очень быстро, имеют очень низкую мощность или требуют специальной обработки токосъемника».
Бай и его команда считают, что они нашли решение этих недостатков, отказавшись от анода и добавив вместо него тонкий слой медной фольги. Он находится на анодной стороне токоприемника батареи, который собирает свободные электроны по мере разряда батареи и направляет их в устройство, на которое подается питание.
Когда эта экспериментальная батарея заряжается, вместо ионов, проходящих от катода через материал сепаратора к аноду, они накладываются на медную фольгу и превращаются в блестящий гладкий металл. Затем, когда батарея разряжается, материал растворяется, и ионы возвращаются на катод.
Ученые смогли наблюдать за работой своих батарей в режиме реального времени через специально сконструированную прозрачную капиллярную ячейку, которая позволила им обнаруживать нестабильность и образование фатальных древовидных структур, называемых дендритами, которые вызывают короткое замыкание и выход из строя батарей. Это позволило команде внести коррективы, например уменьшить содержание воды в электролите, чтобы ограничить реакции с щелочным металлом натрия, которые обычно могут приводить к образованию дендритов.
«Вся нестабильность аккумулятора накапливается в процессе работы», - говорит Бай. «Что действительно важно, так это нестабильность во время динамического процесса, и нет никакого метода, чтобы охарактеризовать это. Мы могли ясно видеть, что если у вас нет хорошего контроля качества вашего электролита, вы увидите различные нестабильности».
Устранив эти перегибы в прозрачной капиллярной ячейке, исследователи смогли создать надлежащую рабочую версию своей безанодной натриевой батареи. Несмотря на более низкую стоимость из-за использования натрия и меньший размер из-за отсутствия анода, они сообщают, что устройство имело аналогичные характеристики с обычной литий-ионной батареей.
