Жан-Мари Тараскон (Jean-Marie Tarascon) совместно с коллегами из французского Национального центра научных исследований создал первую натрий-ионную батарею в типоразмере 18650, являющемся одним из наиболее распространенных в отрасли производства емких аккумуляторов.
Несколько лет назад было высказано предположение, что человечеству пора подумать о скором дефиците, но только не о нефтегазовом, которым нас обычно пугают, а о дефиците щелочного металла – лития. В нашей жизни становится все больше электронных устройств и всевозможных гаджетов. И все они, от мобильного телефона до электромобиля, используют электрическую энергию, запасенную в аккумуляторах. В большинстве своем это литий-ионные аккумуляторы. На сегодняшний день это самый распространенный тип аккумуляторных батарей. И хотя в ближайшем будущем нас вряд ли ждут войны за месторождения лития, его стоимость может возрасти. А это значит, что пора подумать о более дешёвых аккумуляторах, в которых использовались бы другие элементы.
Почему нельзя просто взять и заменить в аккумуляторе литий на натрий? Все дело в атомных размерах. Хоть литий и натрий очень похожи по своим химическим свойствам, атом натрия существенно больше атома лития. И это оказывается критичным для работы аккумуляторной батареи. В литиевом аккумуляторе есть два электрода, один из которых сделан из углерода или графита, а другой из оксида металла, например, кобальта. Переносчиком заряда между электродами служат ионы лития, почему, собственно, их называют литий-ионными аккумуляторами. Во время подзарядки из металл-оксидного электрода высвобождаются ионы лития и двигаются ко второму электроду, который сделан из углерода. Размер атомов лития такой, что они могут легко встраиваться внутрь структуры электрода. Этот процесс называется интеркаляция, в ходе которого ионы металла «протискиваются» между атомными слоями графита. Во время разрядки происходит обратный процесс – ионы лития покидают графитный электрод и возвращаются во второй электрод.
18650 – это цилиндрическая типовая батарея, получившая свое название от размеров. В диаметре она имеет всего 18 мм, а в высоту насчитывает 65 мм. В настоящее время это наиболее распространенный формат аккумуляторов – именно из них состоят батареи ноутбуков и накопители электромобилей Tesla Model S, объединяющие по несколько тысяч таких цилиндрических элементов.
До недавних пор устройства 18650 делали лишь на базе лития – сравнительно редкого в земной коре легкого металла (0,06% от ее общей массы). Тараскон создал натриевый аналог, о химическом составе которого говорит очень скупо – материалы электродов пока составляют коммерческую тайну (разработка поддерживается группой французских компаний). Емкость новинки – всего 90 ватт-часов на килограмм, в то время как лучшие литиевые образцы дают емкость до 200 ватт-часов на килограмм.
Однако натрий куда более распространенный элемент (2,6% от массы земной коры, в 43 раза больше лития), а его получение из морской воды – дешевый и давно отработанный процесс. Это означает, что подобные накопители существенно дешевле, а дефицит материалов для электролита им в принципе угрожать не может. Для лития ситуация совершенно иная – он дорог уже сегодня. В случае если экспоненциальный рост продаж электромобилей, начавшийся в последние пять лет, продолжится в том же темпе, уже в 2020-х годах лития с существующих месторождений будет физически не хватать для удовлетворения нужд аккумуляторной индустрии.
Сейчас группа Жан-Мари Тараскона ведет сравнительные испытания типичной литиевой батареи 18650 и ее первого натриевого аналога. По ее данным, живучесть новинки превышает 2000 циклов полного разряда-заряда. Это примерно в 3–4 раза выше, чем у литиевых батарей, используемых в современных электромобилях. По мнению Тараскона, такие цифры могут быть даже избыточны для электротранспорта. Куда привлекательнее выглядят перспективы более живучих батарей в области накопления пиковых избытков генерации мини-электростанций – в небольших автономных энергосистемах. Меньшая цена и полная пожаробезопасность (натрий в водном электролите по сути образует очень соленую воду, которая не может гореть) будут дополнительными преимуществами натриевых батарей 18650.
