Літій-іонні акумулятори стали настільки звичними, що важко уявити сучасний світ без них. Смартфони, ноутбуки, електромобілі, електроінструменти та системи зберігання енергії — усюди потрібні компактні батареї з високою енергоємністю.
Але є проблема: літій потрібен дедалі більшій кількості пристроїв, а виробникам доводиться шукати дешевші та доступніші матеріали.
Один із головних кандидатів — натрій. На перший погляд, натрієві батареї програють літієвим за ключовими характеристиками. Вони важчі й можуть зберігати менше енергії. Але дослідники з Southwest Research Institute (SwRI) запропонували інший спосіб порівнювати ці технології. І він може змінити саме підхід до вибору акумуляторів.
Не обов’язково мати однакові характеристики
Проблема традиційного порівняння батарей у тому, що зазвичай дивляться на окремі цифри. Ємність, напруга, опір, ефективність, максимальна потужність — кожен показник можна виміряти окремо.
Але пристрою не потрібна «ідеальна батарея» за одним конкретним параметром. Йому потрібно, щоб акумулятор виконував певну роботу протягом усього циклу експлуатації.
Наприклад, батарея електроінструмента повинна не просто мати певну ємність. Вона має витримувати різкі стрибки навантаження, віддавати необхідну потужність, не перегріватися та нормально заряджатися. Тому дві батареї з різними характеристиками на папері можуть виявитися цілком взаємозамінними в конкретному пристрої. А можуть — зовсім ні.
Вчені придумали «індекс взаємозамінності»
Саме для цього дослідники SwRI розробили Electrical Interchangeability Index — EII, або індекс електричної взаємозамінності. Ідея досить проста: замість того щоб запитувати, яка батарея має кращі характеристики, метод перевіряє інше питання: чи здатні дві різні технології виконати однакову роботу в конкретній системі?
Індекс дозволяє визначити ділянки режимів роботи, де акумулятори поводяться практично еквівалентно, а також області, де заміна однієї технології іншою вже може спричинити проблеми. Це особливо цікаво для виробників, адже повна заміна літій-іонної батареї на натрієву може вимагати масштабної переробки всієї системи. Якщо ж EII показує високу взаємозамінність, частину такого переобладнання потенційно можна уникнути.
Натрій дешевший, але має важливий недолік
Натрієві акумулятори приваблюють виробників насамперед доступністю сировини. Натрій значно поширеніший за літій, а деякі компоненти таких батарей потенційно можна виготовляти з дешевших матеріалів.
Але є компроміс. За однакового об’єму натрієва батарея може зберігати менше енергії, а отже, для досягнення тієї самої автономності може знадобитися більша й важча система.
Для смартфона чи електромобіля це серйозний недолік. Проте для деяких інших застосувань вага та габарити можуть бути не настільки критичними. І саме тут натрієві батареї можуть отримати додатковий шанс.
Вчені перевірили це на популярному форматі 18650
У своєму дослідженні команда SwRI порівняла натрієві елементи з літій-іонними акумуляторами формату 18650. Це циліндричні елементи діаметром 18 мм і довжиною 65 мм. Такий формат добре відомий у світі акумуляторів і використовується, зокрема, у ноутбуках, електроінструментах та деяких електротранспортних системах.
Дослідники не обмежилися порівнянням паспортних характеристик. Вони перевіряли, як обидві технології поводяться за різних режимів роботи — під час віддачі та поглинання потужності, заряджання й розряджання, за різних обмежень напруги та навантаження. І тут з’явився найцікавіший результат.
Натрій уже може виконувати ту саму роботу — але не завжди
Дослідники виявили області з високим значенням EII. У таких режимах натрієві та літій-іонні елементи демонстрували достатньо близьку функціональність. Відмінності в доступній ємності, можливостях віддачі потужності та нагріванні поверхні були незначними.
Іншими словами, за певних умов натрієва батарея могла виконувати ту саму задачу, що й літієва. Але існували й ділянки з низьким EII. Там різниця між технологіями ставала занадто великою, а заміна вже могла бути неприйнятною без зміни конструкції системи.
Це важливий нюанс: дослідження не доводить, що натрієві батареї можуть повсюди просто замінити літієві. Воно показує, що в окремих режимах така заміна може бути реальною.
Для виробників це може бути дуже корисно
Якщо метод працюватиме на ширшому спектрі акумуляторів, виробники отримають інструмент для набагато точнішого вибору технології. Наприклад, компанія зможе перевірити натрієву батарею ще до масштабного перепроєктування пристрою. EII може показати, чи достатньо просто замінити хімію акумулятора, чи доведеться змінювати систему охолодження, електроніку керування, зарядний алгоритм або інші компоненти.
Це може бути корисним і для створення гібридних систем, у яких використовуються різні типи акумуляторів. А ще — для пошуку другого постачальника. Якщо виробник не хоче залежати від одного типу хімії або одного ланцюжка постачання, подібний індекс допоможе оцінити альтернативи.
До кінця ери літію ще далеко
Попри гучні перспективи, натрієві батареї поки не готові одномоментно витіснити літій-іонні. Їхня менша енергоємність залишається важливим обмеженням. Для електромобілів, смартфонів та інших пристроїв, де кожен грам має значення, це може бути критично.
Крім того, початкова робота SwRI не враховує всі можливі сценарії експлуатації та весь життєвий цикл батарей. Дослідники планують розширити методику на інші хімічні системи, формати акумуляторів і типи застосувань, а також окремо врахувати старіння, деградацію та теплове керування. Тобто справжня відповідь на питання «коли натрій замінить літій?» поки що не знайдена. Зате тепер у вчених є спосіб поставити це питання значно точніше.
Майбутнє акумуляторів може виявитися не битвою “натрій проти літію”, а пошуком правильного акумулятора для правильної роботи. І якщо натрію не потрібно бути кращим за літій, щоб його замінити, поле для цієї технології стає значно ширшим.
