Дървена батерия може да бъде „зелена“ опция за широкомащабно съхраняване на енергия
Литиево-йонните батерии са отличен избор за даден смартфон, но когато става въпрос за големи системи за съхранение на енергия, приоритет е не компактността, а ниската цена и ниското въздействие върху околната среда (в което литиево-йонните батерии все още има много място за подобрение). Нова “дървена батерията” може да позволи на младата натриево-йонна технология да отговори на изискванията, утвърждавайки се като дълготрайна, ефективна и екологична батерия за широкомащабно съхраняване на енергия.
Учените казват, че натриево-йонните батерии, които в момента са в ранен етап на развитие, могат да отговарят на нуждите от широкомащабно съхраняване на енергия по-добре от литиево-йонните батерии, отчасти защото натрият е евтина и изобилна суровина и поради това, че е екологичен. Но за да могат натриево-йонните батерии да се превърнат в реална алтернатива трябва и да се преодолеят някои проблеми.
Микроскопска снимка на дървесните влакна, използвани от учените в тяхната батерия
Микроскопска снимка на дървесните влакна, използвани от учените в тяхната натриево-йонна батерия
С всеки цикъл на зареждане / разреждане натриевите йони карат анода на батерията да набъбва с цели 420 процента и след това да се свива пак. Този феномен може да съсипе анода само след 20 цикъла. Това значи, че батерията е изключително краткотрайна. Учени от Университета на Мериленд – Лиангбинг Ху и Тенг Ли – са намерили начин да заобиколят този проблем.
Изследователите се обърнали за помощ към дървесните влакна. Те са се развили така, че да издържат на подобни процеси изключително добре, тъй като използват капилярните сили за прехвърляне на натриевите йони от почвата около тях към листата на дървото. Получената чрез такава „биомимикрия“ натриево-йонна батерия, която използва дървесни влакна, повишава трайността си двадесет пъти в сравнение с предишните!
Изследователите са покрили парченце дървесни влакна с тънък слой (10 нм) едностенни въглеродни нанотръби, за да го направят електропроводимо, а след това нанесли калаен филм отгоре. Меките дървесни влакна ефективно неутрализират силните механични натоварвания на разрастването и свиването: дори и след зареждане и разреждане на батерията стотици пъти, дървото остава набръчкано, но… здраво.
“Прекарването на натриевите йони през калаените аноди често отслабва връзката на калая с си материалната база”, заявява Ли, професор по машинно инженерство. “Но дървесните влакна са меки и служат като механичен буфер, като по този начин могат да поемат промените на калая. Това е ключът към нашите дълготрайни натриево-йонни батерии.”
„Дървесните влакна, които образуват едно дърво, някога са съдържали богата на минерали вода, така че са идеални за съхранение на течни електролити, което ги прави не само основа, но и активен участник в батерията”, добавя Ху.
При своите изпитания изследователите са отчели стабилна производителност при 400 цикъла на зареждане и разреждане при първоначален капацитет от 339 mAh/g, което е значително подобрение в сравнение с предишните модели.
Тъй като натрият не съхранява енергия толкова ефективно като лития, малко вероятно е да видим такива батерии в новото поколение дребна електроника. Но поради ниската си цена и използването на щадящи околната среда обикновени материали натриево-йонните батерии могат да се използват за съхраняване на големи количества енергия от възобновяеми енергийни източници като вятъра и слънцето – системи за съхранение от комунален мащаб.