Эффект, благодаря которому сковороды из нержавеющей стали обладают антипригарными свойствами при высоких температурах, теперь будет использоваться для питания доступных по цене аккумуляторов.
В результате совместной работы исследователей из исследовательских институтов Индии, Австралии и Великобритании был использован 270-летний физический трюк для создания атомной магистрали внутри катода натрий-ионной батареи.
Этот подход может помочь в разработке крупномасштабной инфраструктуры хранения энергии с использованием недорогого и широко доступного натрия.
Переход к чистой, «зеленой» экономике основан на использовании литий-ионных батарей для хранения возобновляемой энергии, получаемой солнечными и ветровыми электростанциями. Эти батареи также важны для хранения энергии в устройствах, начиная от смартфонов и заканчивая электромобилями.
Однако добыча лития — сложный и неэкологичный процесс, что делает его крупномасштабное использование дорогостоящим как с финансовой, так и с экологической точки зрения.
С другой стороны, использование широко доступных вариантов, таких как натрий, для производства батарей может помочь снизить затраты и в долгосрочной перспективе лучше для окружающей среды. Но ионы натрия имеют большие размеры и могут засорять катод, вызывая его износ. Чтобы избежать этого, ученые ищут подходящий катодный материал.
Строительство атомной магистрали
Исследователи из Индийского института научного образования и исследований (IISER) в Бхопале и Индийского технологического института в Гандинагаре (IITGN) в сотрудничестве с коллегами из Университета Южного Квинсленда в Австралии и Университета Суонси в Великобритании разработали катод, обеспечивающий быстрое и многократное перемещение ионов натрия без повреждения его структуры.
«Мы решили создать подходящую катодную инфраструктуру, атомную магистраль, чтобы ионы натрия могли быстро перемещаться по ней!» — объяснил Субхаджит Сингха, аспирант IISER Bhopal, участвовавший в этой работе.
Используя Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), смесь фосфата и пирофосфата на основе железа, исследователи создали катод, который естественным образом образует стабильную трехмерную туннелеобразную структуру для облегчения потока ионов натрия.
Используя эффект Лейденфроста
Однако исследователи знали, что использование материалов на основе чистого железа для катода вызывает проблемы с проводимостью и переносом энергии. Чтобы преодолеть это, исследователи добавили в смесь индий.
Замена всего одного процента атомов железа на индий позволила исследователям увеличить межатомное расстояние в катодном материале. Это облегчило перемещение ионов натрия, тем самым улучшив проводимость катода.
Но простого улучшения рецептуры катодного материала было недостаточно. Исследователям также необходимо было усовершенствовать процесс производства этого материала. Поэтому они прибегли к эффекту Лейденфроста.
270 лет назад немецкий врач Иоганн Готтлоб Лейденфрост заметил, что капли воды скользят по поверхности перегретого металла, как будто трения нет. Это происходило потому, что водяной пар создавал на поверхности слой, температура которого значительно превышала точку кипения, позволяя воде скользить.
Это явление позволяет сковородам из нержавеющей стали приобретать антипригарные свойства при высоких температурах. Но исследователи использовали этот эффект для распыления катодного материала на металлическую поверхность, что вызвало эффект Лейденфроста и привело к его мгновенному испарению.
В результате были получены сплавленные пористые частицы, которые были запечены в порошок, действующий подобно губчатым зернам, впитывающим электролитную жидкость для более плавной передачи ионов натрия.
Это помогло исследователям избежать использования печей, сделав производственный процесс более экологичным и одновременно обеспечив сохранение кристаллической структуры катода в течение тысяч циклов. Для сравнения, стандартные литий-ионные батареи служат всего несколько сотен циклов.
«Оптимизированный катодный материал продемонстрировал высокую плотность энергии ~359 Вт·ч кг⁻¹ и замечательную долговечность со стабильной работой на протяжении более 10 000 циклов заряда-разряда», — заявил Рагхаван Ранганатан, доцент IITGN, в пресс-релизе.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Small.
Sourse: interestingengineering.com
