Исследователи из Борнмутского университета, университета Шеффилд-Халлам и Бирмингемского городского университета в Великобритании разработали новый тип гелевого полимерного электролита с двойной системой добавок, способный заметно улучшить характеристики перспективных натрий-металлических аккумуляторов. Эти батареи рассматриваются как более дешевая и экологически устойчивая альтернатива литий-ионным, поскольку натрий широко распространен в природе и не относится к критически дефицитным элементам.
Широкому внедрению натрий-металлических аккумуляторов до сих пор мешают несколько фундаментальных проблем: склонность к образованию опасных дендритов – игольчатых металлических наростов, вызывающих короткое замыкание, сравнительно низкая ионная проводимость и нестабильная работа при высоких токах. Британские исследователи исходили из предположения, что эти ограничения можно преодолеть, если «настроить» электролит так, чтобы он не только эффективно проводил ионы натрия, но и формировал на поверхности электрода прочный и стабильный защитный слой.
Для этого был создан композитный материал на основе полимерной матрицы с двумя ключевыми добавками – тетрафторборатом калия и дифтор(оксалато)боратом лития. Первая добавка, содержащая фтор, способствует формированию на поверхности натриевого анода неорганического слоя, богатого фторидом натрия, который эффективно подавляет рост дендритов. Вторая, боратная добавка, усиливает механическую прочность этого защитного слоя и одновременно повышает его ионную проводимость. Совместное действие этих компонентов дает выраженный синергетический эффект, недостижимый при использовании каждой добавки по отдельности.
Далее исследователи построили подробную математическую модель, позволяющую с высокой точностью описать поведение электролита и всей батареи в различных режимах работы. Моделирование включало расчёты переноса ионов, кинетики электрохимических реакций, роста защитного межфазного слоя и оценки устойчивости системы к образованию дендритов.
Полученные результаты оказались обнадёживающими. Согласно расчетам, новый гелевый электролит обладает ионной проводимостью при комнатной температуре примерно на 20% выше, чем у стандартных гелевых аналогов. Его электрохимическое окно стабильности достигает около 5 В, что открывает возможность работы с более высоковольтными катодными материалами. Особенно впечатляющими выглядят прогнозы по ресурсу: модель показала, что симметричная ячейка с натриевыми электродами может стабильно работать более 1200 часов без признаков деградации из-за дендритов, а в полноценном аккумуляторе с катодом на основе ванадий-фосфата натрия сохраняется около 93% начальной ёмкости даже после эквивалента 7000 циклов быстрой зарядки и разрядки.
Исследователи рассчитывают, что полученные расчетные результаты помогут ускорить разработку и внедрение натрий-металлических аккумуляторов нового поколения прежде всего в накопителях для электросетей, солнечных и ветровых электростанций.
