Натрий-ионный аккумулятор для хранения энергии при сверхнизких температурах

Аккумулятор Challenger G12-200H

Американские исследователи разработали натрий-ионный аккумулятор, который надёжно работает при температуре до –100 °C. Аккумулятор был протестирован с использованием имитационных и реальных возобновляемых источников энергии, в том числе ветра и солнца, и показал стабильную работу как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Исследовательская группа под руководством учёных из Университета Пердью изготовила натрий-ионный аккумулятор (SIB) с использованием компонентов, совместимых с экстремально низкими температурами, и протестировала его в суровых условиях при подключении к возобновляемым источникам энергии. Технология SIB считается более экологичной альтернативой обычным литий-ионным аккумуляторам, поскольку соединения натрия более распространены.

«Наше исследование представляет собой первую практическую оценку и полевую демонстрацию натрий-ионной аккумуляторной батареи, работающей при сверхнизких температурах, что доказывает её стабильность при хранении энергии ветра и солнца при температуре до -100 °C, — рассказал автор исследования Вилас Г. Пол  — Использование аккумуляторной батареи, аналогичной коммерческим образцам, и демонстрация её эффективности в экстремальных условиях открывают путь к внедрению устойчивых аккумуляторных систем хранения энергии в суровом климате и в космосе».

Анод SIB состоял из твёрдого углерода (HC) с 90 % активного материала, а катод был изготовлен из ванадат-натрия, Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP), с 85 % активного материала. Несколько таких слоёв были уложены друг на друга с использованием полипропиленового сепаратора (Celgard 2500) и закреплены клейкой лентой. К электродам были приварены алюминиевые выступы, а стопка была помещена в алюминиевый корпус с полимерным покрытием. После герметизации с трёх сторон исследователи заполнили открытую сторону электролитом в перчаточном боксе, заполненном аргоном. Электролитом был 1 М раствор NaPF₆ в смеси тетрагидрофурана (ТГФ) и 2-метилтетрагидрофурана (2-MeTHF) в соотношении 1:1.

Для лабораторных испытаний команда создала систему экстремально низких температур (ELTS), охлаждаемую жидким азотом (LN₂). Регулятор температуры контролировал подачу LN₂ для поддержания температуры охлаждающей пластины. Для удаления влаги использовался аргон, а для дополнительной изоляции система была обернута и заполнена Fiberfrax. Испытания включали электрохимическую импедансную спектроскопию (EIS) и гальваностатические измерения заряда–разряда (GCD).

В ходе первоначальных испытаний ячейки SIB циклически заряжались от 2,5 до 3,8 В при комнатной температуре (25 °C), –25 °C и –50 °C. Удельная энергия составляла примерно 96 Вт·ч/кг при комнатной температуре, 74 Вт·ч/кг при –25 °C и 46 Вт·ч/кг при –50 °C. В другой лабораторной установке команда подключила SIB к небольшому ветряному генератору, чтобы имитировать возобновляемую генерацию, а настольный вентилятор обеспечивал циркуляцию воздуха. В этих условиях ячейка выдавала 85 Вт·ч/кг, 47 Вт·ч/кг и 39 Вт·ч/кг при комнатной температуре, –25 °C и –50 °C соответственно.

Исследователи также протестировали ветряную мельницу с аккумулятором на открытом воздухе в Уэст-Лафайетте, штат Индиана, где температура была около –10 °C. «Это подтверждает наши лабораторные измерения эффективности зарядки и разрядки SIB при очень низких температурах», — сообщили учёные. В ходе заключительного эксперимента они вернулись в лабораторию, чтобы протестировать SIB при температуре –100 °C в сочетании с поликристаллическим кремниевым солнечным элементом в условиях, приближенных к космическим. В этой установке SIB достигла удельной энергоёмкости до 76 Вт·ч/кг.

«Исследование показало, что при использовании в качестве накопителя солнечной энергии натрий-ионный аккумуляторный элемент сохраняет высокую стабильность и обеспечивает удельную энергоёмкость около 70 Вт·ч/кг при экстремально низких температурах, что крайне важно для таких областей применения, как полёты в дальний космос или работа в очень суровом холодном климате, — сказал Пол. — Балансировка динамики напряжения и тока между солнечным элементом, эффективность которого повышается по мере увеличения ширины запрещённой зоны кремния при низких температурах, и аккумулятором при низких температурах представляет собой серьёзную проблему, но студентам удалось эффективно её решить».

Пол добавил, что команда уже изучает другие комбинации солнечных элементов и аккумуляторов, подходящие для экстремальных условий. «Мы уже провели дополнительные исследования различных солнечных элементов и их совместимости с другими типами аккумуляторов. Это последующее исследование расширяет рамки наших первоначальных выводов за счёт изучения новых сочетаний, таких как высокоэффективные перовскитные солнечные элементы в сочетании с другими экологичными аккумуляторами», — сказал он.

Их выводы были опубликованы в статье «Оценка натрий-ионных аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии в экстремальных условиях» в журнале Communications Chemistry. Помимо учёных из Университета Пердью, в исследовании приняли участие специалисты из индийского Совета по научным и промышленным исследованиям (CSIR) — Национальной химической лаборатории (NCL)