Натриевые батареи оказались опаснее литиевых

 EES: натриевые кластеры приводят натрий-ионные батареи к тепловому разгону

 Натрий еще не скоро заменит литий в пригодных к массовому производству аккумуляторах.

Институт биоэнергетики и биотехнологий в Циндао Китайской академии наук (QIBEBT) провел исследование безопасности натрий-ионных аккумуляторов (SIB) в сравнении с литий-ионными (LIB). Его результаты увидели свет в журнале Energy & Environmental Science.

И их нельзя назвать обнадеживающими: выяснилось, что SIB более подвержены тепловому разгону, чем предполагалось ранее.

На натриевые батареи возлагаются большие надежды. За последнее десятилетие они достигли плотности энергии до 160 Вт·ч/кг и ресурса, превышающего 4000 циклов заряда-разряда.

Безопасность же их по-прежнему оставляет желать лучшего — и новое исследование выяснило, почему. Аноду из твердого углерода свойственно образование кластеров натрия с электронной активностью, превосходящей даже металлический натрий. Эти, как назвали их ученые, локальные «электронные штормы» снижают температуру теплового разгона батареи.

«Когда аккумулятор достигает критических уровней заряда, кластеры натрия снижают температуру начала саморазогрева до 92 °C, вызывая тепловой разгон гораздо раньше, чем в LIB», — пояснил профессор Цуй Гуанлей из QIBEBT.

По его словам, эти кластеры действуют как катализаторы, ускоряя разложение электролита и усиливая тепловой разгон.

Используя спектроскопию твердотельного ядерного магнитного резонанса, исследователи изучили кластеры натрия в квантовом масштабе. Они обнаружили, что эти кластеры проявляют значительную металличность, с большим количеством электронов проводимости на уровне энергии Ферми, чем объемный металлический натрий, что делает их высокореактивными и ускоряет тепловой разгон.

В отличие от LIB, где экзотермические реакции не зависят от состояния заряда, в SIB его высокий уровень провоцирует разгон до разложения электролитного интерфейса на электродах, как это обычно бывает в литиевых источниках тока.

Таким образом, даже при нормальной эксплуатации натриевые батареи несут риски безопасности, сопоставимые с возникающими при чрезмерном заряде.

(a) Сравнение режимов теплового разгона в натрий-ионных и литий-ионных карманных элементах
(b) Эволюция ионов щелочных металлов в твердых углеродных и графитовых анодах
(c) Сравнение кластеров натрия с LiC6 и их соответствующими металлическими формами

Для снижения этих рисков ученые предлагают отказаться от жидких электролитов в пользу твердотельных альтернатив.

По материалам Ⓒ НАУКА