А что вместо лития?..

Рынок ионолитиевых аккумуляторов на данный момент быстро растёт. Однако запасы лития в земной коре ограничены. Можно ли создать аккумулятор сравнимого качества на основе более распространённых химических элементов?

Во всём мире разрабатываются проекты по созданию аккумуляторов на основе более распространённых, чем литий, химических элементов. Исследователи из швейцарского Федерального института материаловедения (EMPA) и Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) обобщили тенденции литиевого замещения в статье «Вызовы и выгоды постионолитиевых аккумуляторов» и рассказали о том, какие предлагаются варианты.

ИОНОНАТРИЕВЫЕ

Натрий — первое, что приходит в голову: он близок к литию по химическим свойствам и повсеместно распространён. Однако радиус иона натрия примерно в полтора раза больше, чем радиус иона лития, и это не лучшим образом сказывается на электрохимических характеристиках элемента. Металлический натрий, как и металлический литий, нельзя использовать из-за дендритной кристаллизации, графит с внедряемыми в него ионами натрия показывает ничтожную удельную ёмкость в 30–35 мА·ч/г; другие формы углерода лишь немногим лучше.

ИОНОМАГНИЕВЫЕ

Металлический магний, в отличие от лития и натрия, не образует дендритов, а значит, может быть непосредственно использован в качестве анодного материала. Он безопасен, нетоксичен, дёшев, обладает высокой удельной ёмкостью (2205 мА·ч/г, 3833 мА·ч/см3 ) и неплохим электродным потенциалом — 2,37 В. Но созданию коммерческого аккумулятора мешают сложности на стороне катода. Ион магния невелик по размеру и благодаря двухвалентности этого металла несёт вдвое больший заряд, чем ион лития или натрия.

ДВУИОННЫЕ МАГНИЕВО-НАТРИЕВЫЕ

Сравнительно недавно предложенная концепция гибридного аккумулятора нацелена на то, чтобы обойти проблему с катодом магниевого аккумулятора, сохранив выигрышный вид анода. Анод изготавливается из металлического магния, катод — из какого-либо материала, применяемого в натриевых (или литиевых, такие проекты тоже есть) аккумуляторах, а в растворе электролита присутствуют ионы обоих металлов. Ионы каждого типа взаимодействуют со «своим» электродом. Главный выявленный на данный момент недостаток такой системы — низкая окислительная стабильность двуионных электролитов, ограничивающая рабочее напряжение и, соответственно, плотность хранения энергии.

АЛЮМИНИЕВЫЕ

Алюминий, как и магний, широко распространён, недорог, нетоксичен и может использоваться на электроде непосредственно в форме металла, поскольку не образует дендритов. Кроме того, он отличается высокой удельной ёмкостью — 8046 мА·ч/г, 2980 мА·ч/см3 . Однако окислительно-восстановительный потенциал пары Al3+/Al смещён в положительную сторону по сравнению с парой Mg2+/Mg, так что общие расчётные характеристики аккумулятора получаются ниже. Ещё одна трудность — электролит. В этом качестве достаточно эффективны хлоралюминатные ионные жидкости, однако для них характерна высокая коррозионная активность, и зачастую они имеют небольшое (порядка 2,5 В) электрохимическое окно. В качестве материала катода пытались использовать множество различных соединений, но результаты пока не особенно обнадеживают.

Все предлагаемые варианты «постионолитиевых» аккумуляторов технологически далеки от готовности, но потенциально обладают существенными экономическими преимуществами. Тем не менее ясно, что ни один из них не может сравниться с ионолитиевыми аккумуляторами по такому параметру, как плотность энергии. Разработчикам нужно ориентироваться на области применения, в которых низкая стоимость и безопасность для окружающей среды важнее, чем масса и габариты.

Источник: "Энерговектор" Июль 2020

19.08.2020