В последние годы литий-воздушные батареи привлекают все больше внимания благодаря их теоретической способности вмещать на единицу объема почти столько же энергии, как и бензин. Столь высокая плотность энергии (около 3458 Вт ч/кг — в несколько раз больше, чем у литий-ионных батарей), достигается за счет использования в реакции на катоде атмосферного кислорода вместо собственного окисляющего агента батареи.

К сожалению, в стандартном виде литий-воздушные устройства используют одноразовые, не перезаряжаемые ячейки, что существенно сужает спектр возможных практических приложений. В 2011 г. несколько международных исследовательских коллективов открыли, что причиной необратимости процесса отдачи заряда в литий-воздушных элементах является нестабильность электролита и других компонентов ячеек в присутствии высокоактивного супер-оксидного радикала O₂-, который образуется на первом этапе разрядки ячеек.

Только недавно наметился способ решения этой проблемы, предусматривающий применение золотых электродов. Тем не менее, такая система все же страдает от низкой эффективности и потери части энергии в виде тепла.

В новой работе, представленной в журнале Nature Materials, ученые из института физической химии в г. Гайссен (Германия) выявили, что использование в качестве материала анода натрия вместо лития открывает неожиданную возможность сделать батареи перезаряжаемыми, сохранив при этом достаточно высокую плотность энергии.

Несмотря на то, что литий и натрий находятся в общей группе химических элементов, с кислородом они взаимодействуют по-разному. В реакции с литием на поверхности раздела анод-электролит образуется очень нестабильный оксид LiO₂, который в батарее быстро превращается в Li₂O₂. Натрий формирует с кислородом гораздо более устойчивый «супер-оксид» NaO₂: он не разлагается, что позволяет сделать реакцию обратимой для выполнения зарядки аккумулятора.

Хотя обратимость, является важным достижением, сама реакция далека от идеальной. «Потолок» плотности энергии натрий-воздушных батарей теоретически равен 1605 Вт·ч/кг, что существенно выше, чем у литий-ионных батарей, но вдвое меньше, чем у литий-воздушных. Как подчеркивают ученые, при прочих неизменных факторах «литиевая» версия батареи всегда будет давать больше энергии, чем «натриевая», но любая работающая металл-воздушная разновидность будет превосходить современные литий-ионные аккумуляторы, благодаря чему найдет самое широкое применение.

Кроме того, емкость натрий-воздушных аккумуляторов уменьшается с каждой перезарядкой и после восьми циклов они полностью теряют работоспособность. На данном этапе исследований немецкие ученые пытаются выявить механизмы, ответственные за ограничение срока жизни батарей.

Применение натрия имеет и другие положительные стороны. Этот химический элемент гораздо более распространен и дешев, чем литий, запасы которого довольно ограничены. Натрий-воздушные батареи, также демонстрируют перенапряжение в 3-4 раза меньше, чем литий-воздушные, что уменьшает потери энергии.

Кроме того, как указывают ученые, синтез супер-оксида натрия до сих пор был весьма трудоемким процессом, а в этой реакции он происходит мгновенно при комнатных температуре и давлении. Возможно, таким же методом окажется целесообразным получать и другие химические соединения.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365