Дослідники з німецького університету RWTH Aachen отримали на тест 120 акумуляторних елементів із Китаю. Завдання було амбітним: з’ясувати, чи може натрій елемент, який ми звикли бачити у пакетику солі на кухні всерйоз замінити літій у батареях електромобілів. Відповідь, опублікована 28 травня у журналі Cell Press Physical Science, виявилася настільки несподіваною, що її вже називають однією з найважливіших технологічних новин року.
Результат: натрій працює.
Літій дорогоцінний метал, який сьогодні панує у світі акумуляторів. Він легкий, енергоємний і перевірений десятиліттями використання в гаджетах та електрокарах. Проте за ним стоїть складна геополітика видобутку, вузькі ланцюги постачання та постійно зростаюча ціна. Натрій, навпаки, один із найпоширеніших елементів на планеті. Його запаси практично невичерпні, а вартість сировини в рази нижча. Тому китайські інженери вже не перший рік інвестують у натрієво-іонні технології, а їхній ринок потроху перетворюється на полігон для випробування альтернативної енергетичної реальності.
Одним із лідерів цього руху стала компанія HiNa Battery відокремлений підрозділ Китайської академії наук, який уже співпрацює з автовиробниками на кшталт JAC і постачає батареї для електромобілів та великих систем накопичення енергії. Саме її комерційні акумулятори потрапили до рук німецької команди. І саме вони стали головними героями дослідження, що може перекроїти ринок.
Чи справді вони конкуренти Tesla?
120 елементів
Щоб дати об’єктивну відповідь, команда під керівництвом дослідника акумуляторів Моріца Шютте застосувала цілий арсенал лабораторних методів. На першому етапі вони використали складну не руйнівну методику імпедансну спектроскопію, яка дозволяє побачити внутрішні процеси в батареї, не розкриваючи корпус. Далі вчені піддавали батареї навантаженню при різних струмах і температурах від мінус 20 до плюс 45 градусів Цельсія, використовували рентгенівське випромінювання для вивчення внутрішньої структури, а потім розкривали елементи, щоб виміряти розміри електродів, їхній склад і мікроструктуру. Це була ретельна розтинна операція для 120 китайських «сердець» енергетики.
- Імпедансна спектроскопія не руйнівна перевірка рівномірності всіх 120 комірок
- Температурні випробування діапазон від −20 °C до +45 °C при різних струмах навантаження
- Рентгенівське сканування візуалізація внутрішньої архітектури без розкриття корпусу
- Розтинний аналіз точні виміри розмірів, хімічного складу та мікроструктури електродів
І ось що вони побачили всередині.
Що всередині
Акумулятори HiNa використовують безтабличну конструкцію так званий tabless design із подвійним алюмінієвим токознімачем. Це рішення знижує внутрішній опір і забезпечує рівномірний розподіл температури по всьому елементу. Дослідники одразу відзначили паралель: це дзеркальне відображення підходів, які застосовує Tesla у своїх літій-іонних батареях. «Ми були приємно здивовані, наскільки рівномірними є елементи», зазначив Шютте. Рівномірність це критичний показник для масового виробництва, адже вона означає передбачувану якість і довговічність кожної окремої батареї у величезному парку машин або накопичувачів.
Потужнісні характеристики виявилися кращими, ніж очікувалося від раннього комерційного продукту на основі натрію. Батареї впевнено тримали навантаження навіть у мороз, що робить їх привабливими для стаціонарного зберігання енергії, роботи з електромережами та комерційного транспорту в холодних кліматах. Водночас енергоємність натрієвих елементів поки що поступається найкращим літій-іонним аналогам, а сама технологія загалом менш зріла. Але це лише початок комерційної історії.
Найцікавіше це мідь.
Слова інженера
«Поєднання хорошої рівномірності, високої потужності та сильних показників при низьких температурах робить ці елементи привабливими для стаціонарного зберігання, послуг електромереж і короткодистанційного або комерційного транспорту, де потенційно нижча вартість і доступність ресурсів важать більше, ніж максимальний запас ходу», сказав Моріц Шютте, дослідник акумуляторів у RWTH Aachen University.
Шютте визнає: низькотемпературна зарядка залишається чіткою слабкістю технології. Для застосувань, які потребують частої зарядки на морозі, знадобляться відповідні теплові системи керування або спеціальні стратегії експлуатації. Проте навіть із цим застереженням загальний баланс вражає. Натрієво-іонні батареї вже зараз демонструють виробничу якість, здатну конкурувати з продуктами, над якими працювали роками.
Ще один сюрприз чекав у катоді.
Несподівана мідь
Відкривши елементи, дослідники виявили несподівано високий і нерівномірно розподілений вміст міді в певних ділянках катода. Це відкриття поставило нові запитання про роль міді у продуктивності та старінні батареї. «Буде цікаво побачити майбутні натрієво-іонні технології, які також будуть вільні від нікелю та міді, досягаючи при цьому конкурентної енергоємності», додав Шютте. Відмова від дефіцитних металів наступний логічний крок, який зробить технологію ще дешевшою та екологічнішою.
Прогалина скорочується.
Куди їхати
Натрієво-іонні батареї вже сьогодні знаходять свою нішу там, де максимальна енергоємність не є критичною, а вартість і надійність виходять на перший план. Це системи накопичення енергії для сонячних і вітрових електростанцій, комерційний транспорт із передбачуваними маршрутами, міські автобуси та логістичні флоти. У холодних кліматах вони поводяться навіть краще, ніж можна було сподіватися, зберігаючи працездатність під навантаженням при мінусових температурах. Для країн, які будують енергонезалежність на відновлюваних джерелах, такі накопичувачі стратегічний актив. Особливо це актуально для регіонів із суворими зимами, де літій-іонні батареї втрачають частину потужності, а натрієві продовжують стабільно віддавати струм.
Китай уже довів технологію на практиці. Батареї HiNa працюють у реальних автомобілях і на електростанціях. Німецька лабораторія лише дала їм міжнародну наукову візу. Тепер решта світу може опиратися на незалежні дані з ахенського університету.
Наступний крок оптимізація.
Що далі
Автори дослідження планують зосередитися на поліпшенні зарядних характеристик при температурах нижче нуля. Сьогодні зарядка на морозі потребує обережності, і це обмеження має бути подолане для масового використання в електромобілях. Перспективними напрямками Шютте називає вдосконалення твердокарбонових анод і нових рецептур електролітів. Саме ці два компоненти можуть підняти енергоємність і зробити натрієві батареї повноцінною альтернативою для широкого спектра транспорту. Додаткові експерименти з катодними матеріалами без міді та нікелю відкриють шлях до ще дешевших і чистіших комірок, які не залежатимуть від дефіцитних металів.
Робота підтримується Федеральним міністерством досліджень, технологій та космосу Німеччини, а також Федеральним міністерством економіки та енергетики. Це означає, що держава вкладає ресурси і у вдосконалення літію, і у пошук реальної альтернативи. Інвестиції в натрій можуть зрештою знизити вартість електромобілів для кінцевого споживача та зробити зелену енергетику доступнішою.
Літій добувають копальнями, а натрій у кожній кухні.
Різниця у доступності колосальна.
Якщо німецькі інженери розв’яжуть останні вузли з низькотемпературною зарядкою, а китайські виробники масштабують виробництво, правила гри на ринку електромобілів перепишуть назавжди. Без дефіциту. Без геополітичних ризиків. І з ціною, яка нарешті зробить електричний транспорт справді масовим.
Те, що лежить у вашій кухні, може незабаром рухати ваш автомобіль.
Про автора
