Но новый материал на основе марганца и ионов натрия, разработанный в Техасском университете в Далласе в сотрудничестве с Сеульским национальным университетом, может стать претендентом, предлагая потенциально более дешевый и более экологичный вариант для топлива устройств следующего поколения и электрических машины.Стоимость батарей — серьезная проблема, сказал доктор Кёнджэ Чо, профессор материаловедения и инженерии в Школе инженерии и информатики Эрика Йонссона и старший автор статьи, описывающей новый материал, в журнале Advanced Materials.По словам Чо, поскольку производители и потребители стремятся к увеличению количества электромобилей (ЭМ), производству лития, возможно, будет трудно угнаться за растущим спросом. Согласно недавнему отчету Международного энергетического агентства, мировой парк электромобилей превысил 2 миллиона автомобилей в 2016 году после преодоления отметки в 1 миллион в 2015 году.
В отчете отмечается, что, в зависимости от политической среды, велика вероятность того, что это произойдет. колеблется от 9 до 20 миллионов к 2020 году и от 40 до 70 миллионов к 2025 году.С точки зрения экономии затрат на батарею электромобиля использование натрия было бы дешевле, потому что натрия больше, но у него есть некоторые недостатки.«Литий — более дорогой и ограниченный ресурс, который необходимо добывать всего в нескольких регионах земного шара», — сказал Чо. «Нет никаких проблем с добычей натрия — его можно извлечь из морской воды.
К сожалению, хотя натриево-ионные батареи могут быть дешевле, чем батареи, использующие литий, натрий имеет тенденцию обеспечивать на 20 процентов более низкую плотность энергии, чем литий».Плотность энергии или емкость аккумулятора определяет время работы устройства.«Мы использовали наш предыдущий опыт и думали над этими проблемами — как мы можем объединить эти идеи, чтобы придумать что-то новое для решения проблемы?» — сказал Чо.
Батарея состоит из положительного электрода или катода; отрицательный электрод или анод; и электролит между ними. В стандартной литий-ионной батарее катод изготовлен из лития, кобальта, никеля и кислорода, а анод — из графита, разновидности углерода.
Когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются через электролит к аноду и присоединяются к углю. Во время разряда ионы лития возвращаются к катоду и обеспечивают электрическую энергию для работы устройств.«Несколько лет назад были большие надежды на использование оксида марганца в катодах литий-ионных аккумуляторов для увеличения емкости, но, к сожалению, такая комбинация становится нестабильной», — сказал Чо.
В конструкции, разработанной Чо и его коллегами, натрий заменяет большую часть лития в катоде, а марганец используется вместо более дорогих и более редких элементов — кобальта и никеля.«Наш натрий-ионный материал более стабилен, но при этом сохраняет высокую энергоемкость лития», — сказал Чо. «И мы считаем, что это масштабируемость, и в этом весь смысл нашего исследования. Мы хотим производить материал таким образом, чтобы процесс был совместим с коммерческим массовым производством».Основываясь на своих знаниях в области физики и химии других экспериментальных материалов, исследователи приступили к решению проблемы с помощью рационального дизайна материалов.
Сначала они провели компьютерное моделирование, чтобы определить наиболее перспективную конфигурацию атомов, прежде чем изготовить и протестировать материал в лаборатории.Чо сказал, что его исследование не только в том, чтобы придумать лучшую батарею.
По его словам, не менее важно и интересно то, как проводилось исследование.«Когда Томас Эдисон пытался разработать лампочку, он пробовал тысячи различных материалов для нити, чтобы увидеть, какие из них работают», — сказал Чо. «Чтобы решить очень важные инженерные проблемы в современном обществе, нам необходимо разработать множество новых материалов — материалы для аккумуляторов, материалы для борьбы с загрязнением и другие. Эдисон совершенствовал один элемент — лампочку, — но у нас гораздо больше технологических потребностей. . У нас нет времени постоянно пытаться случайно найти решение ".