Baterie sodowo-jonowe mogą w przyszłości stać się poważną alternatywą dla popularnych akumulatorów litowo-jonowych. Naukowcy z Chin opracowali nową konstrukcję anody, która pozwala połączyć szybkie ładowanie z wysoką trwałością. Sekret tkwi w ultracienkiej powłoce przypominającej grafen, chroniącej strukturę elektrody przed uszkodzeniami.
Grafenowa powłoka rozwiązuje problem baterii sodowych
Akumulatory sodowo-jonowe przyciągają coraz większą uwagę producentów. Sód jest znacznie bardziej rozpowszechniony niż lit, co potencjalnie ułatwia pozyskiwanie surowców i ogranicza zależność od łańcuchów dostaw. Technologia ta ma również interesujący potencjał w magazynowaniu energii i zastosowaniach wymagających dobrej pracy w niskich temperaturach.
Problemem pozostaje jednak kompromis między szybkością ładowania a żywotnością. Intensywne ładowanie może przyspieszać degradację elektrod, dlatego poprawa jednego parametru często odbywa się kosztem drugiego.
Zespół badawczy opracował anodę z nanostruktur dwutlenku tytanu (TiO₂), zamkniętych w podwójnie powlekanych, pustych w środku kulistych strukturach. Tworzą je niezwykle cienkie arkusze o grubości około 2 nanometrów. Całość zabezpieczono ultracienką warstwą węglową przypominającą grafen.
Ta powłoka pełni jednocześnie funkcję ochronną i poprawia przewodnictwo elektryczne. Dzięki temu elektroda może sprawniej transportować ładunki, a jej delikatna struktura jest mniej podatna na uszkodzenia podczas kolejnych cykli pracy.
100C i imponująca trwałość elektrody
Wyniki eksperymentów pokazują, dlaczego nowe rozwiązanie wzbudza zainteresowanie. Przy wysokiej szybkości ładowania wynoszącej 100C materiał osiągnął pojemność 121 mAh/g. To rezultat wskazujący na bardzo szybki transport jonów sodu w badanej elektrodzie.
Równie istotna jest trwałość. Przy obciążeniu materiału aktywnego wynoszącym 10,5 mg/cm² elektroda zachowała ponad 90 proc. początkowej pojemności po 3000 cykli przy szybkości 5C. Takie obciążenie ma znaczenie, ponieważ wyniki uzyskiwane na bardzo cienkich elektrodach laboratoryjnych nie zawsze przekładają się na praktyczne zastosowania.
Dla porównania, klasyczne struktury nanocząsteczkowe nie zapewniają tak korzystnego połączenia parametrów. Grafenowa osłona pomaga ograniczyć degradację i utrzymać stabilność materiału podczas intensywnej eksploatacji.
Czy baterie sodowo-jonowe trafią do samochodów elektrycznych?
Nowe rozwiązanie może mieć znaczenie dla przyszłości magazynowania energii, samochodów elektrycznych oraz urządzeń wymagających szybkiego uzupełniania energii. Nie oznacza jednak, że akumulatory z grafenową anodą są już gotowe do produkcji seryjnej.
Wyniki dotyczą przede wszystkim opracowanego materiału elektrodowego, a nie gotowej baterii dostępnej na rynku. Konieczne pozostają dalsze testy całych ogniw, elektrolitów, katod oraz stabilności podczas długotrwałej eksploatacji. Istotne będą również koszty produkcji i możliwość przemysłowego wytwarzania jednolitej powłoki.
Dla europejskiego rynku elektromobilności, również w Polsce, rozwój tej technologii może być interesujący. Tańsze surowce i potencjalnie szybkie ładowanie to argumenty, których producenci akumulatorów nie mogą ignorować. Na razie jest to jednak obiecujący kierunek badań, a nie zapowiedź rychłego końca baterii litowych.