Исследоваиели Делфтского технологического университета работают над ускорением исследований натриево-ионных аккумуляторов, чтобы они могли конкурировать с литий-ионными аккумуляторами, которые используются в наших смартфонах, ноутбуках и электромобилях.
В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи представляют доказательства достижения того, на что не способны даже лучшие суперкомпьютеры: разработки метода предсказания атомной структуры натрий-ионных батарей.
Как следует из названия, натриево-ионные аккумуляторы основаны на натрия, который, помимо прочего, содержится в кухонной соли. Теоретически Na-ионные батареи не работают так же хорошо, как литий-ионные батареи, что означает, что их плотность энергии на 20-30% ниже, чем у литий-ионных батарей.
Исследователи говорят, что даже несмотря на то, что это снижение производительности не делает их конкурентоспособными, когда речь идет о мобильных телефонах или электромобилях, они могут быть хорошей альтернативой для ситуаций, в которых вес немного менее важен.
В своей статье ученые упоминают морские приложения, автомобили, которые можно часто заряжать, электрические стены дома или аккумуляторные парки, которые хранят энергию ветра и солнца в качестве элементов, которым эти батареи могут быть полезны.
В документе также говорится, что Na-ионные батареи предоставляют больше возможностей в использовании сырья для создания более качественных и дешевых положительных электродов, в которых кобальт, обычно используемый в литий-ионных батареях, не понадобится.
Но получить точный состав катода было непросто.
«В зависимости от точного набора элементов вы получите тонкие различия в атомной структуре положительного электрода, которые будут иметь большое влияние на производительность батареи», - заявил соавтор исследования Марникс Вейджмейкер в заявлении для СМИ. . «При наличии всего лишь нескольких элементов существует так много структурных возможностей, что даже самый быстрый суперкомпьютер не может предсказать, как получатся различные комбинации. В результате разработка новых материалов идет медленно ».
Вот почему Вейджмейкер и его команда решили лучше понять сэндвич-структуру катода и поработать над предсказанием идеальной формулы для него.
«Сначала казалось, что размер ионов определяет атомную структуру», - сказал Вейджмейкер. «Но вскоре стало ясно, что это не единственный фактор. Распределение электрического заряда ионов играет решающую роль ».
По словам эксперта, это было решающее открытие, потому что соотношение между размером иона и его зарядом, так называемый «ионный потенциал», как известно, имеет прогностическую ценность.
Таким образом, исследователи разработали простую формулу, основанную на ионном потенциале, и смогли предсказать, какую структуру они собирались получить, при каком соотношении выбранного сырья. «Формула показывает нам огромное количество материалов для электродов, которые могут обеспечить наилучшие характеристики», - сказал Вейджмейкер.
Ученые также проверили свою формулу, разработав новые материалы и попытались сделать катод с максимально возможной плотностью энергии и еще один, который заряжается очень быстро.
«В обоих случаях нам это удалось. Что касается плотности энергии, мы были на самом верху предела возможного. Мне нравится тот факт, что такая простая формула, основанная на очень старой идее из геологии, может делать прогнозы в атомном масштабе с такой точностью », - сказал Вейджмейкер.
Следующим шагом для команды будет изучение других типов структур, как электродов, так и электролитов для различных типов батарей.