Высокотемпературные натрий-цинковые аккумуляторы: исследователи используют рентгеновские лучи, чтобы выяснить причины потери емкости

Аккумулятор TROJAN T105

Натрий-цинковые аккумуляторы на основе расплавленных солей работают при температуре около 600 градусов по Цельсию и считаются весьма перспективными для стационарного хранения энергии благодаря доступности и низкой стоимости сырья. Однако постоянные потери емкости сдерживают развитие этой технологии. Исследователи из Общества им. Гельмгольца впервые применили рентгеновскую визуализацию в режиме реального времени, чтобы понять, в чем именно причина.

Исследовательская группа из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) в Германии впервые получила возможность наблюдать за ранее скрытыми процессами старения внутри натрий-цинковых аккумуляторов на основе расплавленных солей. Для этого они использовали рентгеновскую радиографию в режиме реального времени, чтобы получить изображение элементов, работающих при температуре около 600 градусов по Цельсию. Эта технология долгое время считалась весьма перспективной для стационарного хранения энергии, учитывая низкую стоимость и доступность сырья, но до сих пор не удавалось добиться стабильности, необходимой для практического применения.

В каком-то смысле экстремальная рабочая температура является преимуществом: при таких температурах металлы находятся в жидком состоянии и могут очень быстро перемещаться внутри элемента. Но из-за этой же динамичности системы сложно контролировать, и до сих пор «не было четкого понимания, почему элементы так сильно теряют в производительности во время работы», по словам исследователя из HZDR Норберта Вебера, который координирует проект ЕС SOLSTICE, в рамках которого систематически изучаются различные концепции натрий-цинковых аккумуляторов.

О снижении эффективности и сокращении срока службы можно было судить только косвенно. Обычные электрохимические измерения фиксируют силу тока и напряжение, но не дают полного представления о том, что происходит внутри элемента. Проблема усугубляется особенностями самой технологии.

«Наша батарея полностью жидкая. Процессы, происходящие внутри нее, очень динамичны», — объясняет Мартинс Сарма, ведущий автор исследования. Ячейку нельзя просто вскрыть во время работы, а если дать ей остыть, «структура фундаментально изменится», а значит, любой посмертный анализ будет бесполезен.

Рентгеновская визуализация при температуре 600 градусов Цельсия

Рентгенография Operando полностью решает эту проблему, позволяя команде следить за процессом зарядки и разрядки в режиме реального времени при полной рабочей температуре. Исследователи надеются, что полученные результаты помогут разработать новые, более простые конструкции элементов, пригодные для крупномасштабных хранилищ.

С помощью визуализации стало возможным наблюдать за движением натрия, цинка и электролита, а также получить «неожиданно четкое изображение» одного из компонентов — сепаратора. Этот пористый барьер между электродами предназначен для предотвращения прямого контакта натрия и цинка, который может привести к нежелательным побочным реакциям. Однако рентгеновские снимки показали, что в процессе работы цинк постепенно накапливается в области сепаратора, где он теряет электрический контакт с электродом.

Рентгеновский снимок натрий-цинкового элемента с натриевым анодом (верхняя часть элемента, светлая область вокруг черной проволоки), диафрагмой (светлая полоса в центре элемента) и цинковым катодом (черные круги у основания).

«Можно представить, что это сито, в котором задерживается материал, — говорит Наталья Шевченко, которая занимается электрохимическим хранением энергии и ее анализом в HZDR. — Со временем активный цинк теряется все больше и больше». Этот механизм впервые дает четкое физическое объяснение тому, почему эти элементы так быстро стареют.

Однако простого решения пока не существует. Удаление сепаратора предотвращает застревание цинка, но без него натрий и цинк взаимодействуют гораздо активнее, ускоряя саморазряд батареи. Сейчас команда ученых сосредоточена на усовершенствовании конструкции элемента, чтобы лучше контролировать перенос веществ между жидкими фазами, не прибегая к сложным и дорогостоящим в производстве компонентам. В конечном счете цель состоит в том, чтобы получить, по словам Вебера, «надежные, простые и экономичные решения» — комбинацию, которая сделает возможным масштабное внедрение этой технологии.