| 0 |
|
Близько 270 років тому д-р Йоганн Готтлоб Лайденфрост (Johann Gottlob Leidenfrost) з Німеччини спостерігав своєрідну поведінку крапель води на нагрітих металевих поверхнях. У своєму рукописі «Трактат про деякі якості звичайної води» він описав, як вода ковзає по перегрітих металевих поверхнях, ніби тертя перестало існувати. Це відбувається, коли вода або будь-яка рідина утворює парову подушку на поверхнях, температура яких значно вища за температуру кипіння, дозволяючи їм ковзати без доторкання.
У дослідженні, нещодавно опублікованому в журналі Small, команда вчених з Індійського інституту науки, освіти та досліджень (IISER) у Бхопалі, Індійського технологічного інституту Гандінагара (IITGN), Університету Свонсі та Університету Південного Квінсленду досліджувала, як цей незвичайний фізичний ефект може допомогти створити стабільніші та довговічніші акумулятори та стати практичною альтернативою літій-іонній технології.
Оскільки світ переходить до відновлюваної енергії, попит на кращі акумулятори ще ніколи не був вищим. «Літій-іонні акумулятори зараз живлять усе: від наших смартфонів до електромобілів, — сказав доктор Рохіт Ранганатан Гаддам (Rohit Ranganathan Gaddam) з IISER, Бхопал. - Однак літій є відносно рідкісним і дорогим у видобутку, що робить необхідною більш екологічну та економічно ефективну альтернативу».
Натрій вже давно рекламується як потенційна заміна літію. Натрій, повсюдний елемент, що міститься в морській воді та солі, дешевий і легкодоступний. Це робить натрій-іонні акумулятори сильним кандидатом для великомасштабного накопичення енергії, особливо для відновлюваної енергії. Але об'ємність іонів натрію створює значну перешкоду. Важчі іони зрештою забивають і зношують катод, який діє як його енергетичне сховище.
Для того, щоб натрієвий акумулятор добре працював, матеріал, який використовується в його катоді, повинен дозволяти іонам натрію швидко та багаторазово рухатися, не пошкоджуючи його структуру. Існує багато перспективних матеріалів, але їм часто бракує швидкості, стабільності або довговічності.
«Ми вирішили побудувати правильну катодну інфраструктуру, атомну магістраль, щоб іони натрію могли швидко проходити крізь неї», – додав Субхаджіт Сінгха (Subhajit Singha), перший автор і д-р філософії в IISER Bhopal. Команда використовувала суміш фосфату Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇) та пірофосфату на основі заліза, яка природним чином утворює стабільну тривимірну тунелеподібну структуру. Знаючи недоліки провідності та енергії катодних матеріалів на основі виключно заліза, дослідники експериментували, додаючи до суміші невелику частку індію.
Було помічено, що заміна лише 1% атомів заліза на індій збільшила міжатомну відстань у потенційному катодному матеріалі без зміни його фундаментальної структури. Це дозволило іонам натрію легше прослизати та покращило електронну провідність катодного матеріалу, що є відмінною рисою високопродуктивних акумуляторів.
Окрім змін у рецептурі катодного матеріалу, команда також внесла новизну у свій виробничий процес. «Ми використали основи ефекту Лайденфроста, щоб створити катодні матеріали, які довговічніші та перевершують стандарти, що існують на ринку», — сказав д-р Гаддам. Вони розпилювали хімічну суміш на металеву поверхню, яка була достатньо гарячою, щоб викликати ефект Лайденфроста.
Коли краплі потрапляли на палаючу пластину, вони швидко випаровувались, сплавлялися в пористі частинки та випікалися в порошок. Цей швидкий, екологічний метод дозволяє обійти енергоємні печі, утворюючи губчасті зерна, які поглинають електролітну рідину для плавнішого руху натрію.
Розширені вимірювання та обчислювальне моделювання дали уявлення про реструктуризацію на атомному рівні. Результати показали, як індій тонко перебудовує атомну структуру, розширюючи іонні шляхи, знижуючи енергетичні бар'єри, покращуючи провідність і зберігаючи кристалічну структуру потенційного катодного матеріалу неушкодженою протягом тисяч циклів.
«Оптимізований катодний матеріал продемонстрував високу щільність енергії ~359 Вт·год·кг-1 та надзвичайну довговічність зі стабільною роботою протягом 10 000 циклів заряду-розряду», — сказав д-р Ранганатан, співавтор та доцент кафедри матеріалознавства IITGN. Для порівняння, більшість батарей телефонів або ноутбуків працюють лише кілька сотень циклів. Це робить отриманий катодний матеріал ідеальним для зберігання відновлюваної енергії в системах, які потребують тривалої роботи.
Для Індії, яка прагне до 2030 р. досягти 500 ГВт відновлюваних джерел енергії, масштабована, промислово випробувана версія натрій-іонних батарей з новим катодом може означати доступне мережеве зберігання енергії для використання сонячної та вітрової енергії без відключень електроенергії. «Наше дослідження показує, що стратегічна модифікація на атомному рівні в поєднанні з простим і масштабованим шляхом синтезу може розкрити продуктивність, яка раніше була недоступна для катодів натрій-іонних акумуляторів», — сказав д-р Гаддам.
Відповідно до національних енергетичних місій та Цілей 7 (доступна чиста енергія) та 11 (діяльність у сфері клімату) сталого розвитку ООН, це дослідження є кроком до зменшення залежності від літію, сприяння більш справедливим ланцюгам поставок та забезпечення доступного зберігання зеленої енергії. «Це поєднання експериментального та обчислювального досвіду в різних установах та континентах доводить, що історичні особливості, такі як ефект Лайденфроста, можуть спричинити появу сучасних центрів стійких інновацій», — зазначив д-р Ранганатан.
Синтез недорогого та масштабованого катодного матеріалу за допомогою ефекту Лайденфроста
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI
| 0 |
|
