Tyrėjų komanda iš Indijos, Australijos ir Jungtinės Karalystės, dirbanti keliuose mokslo institutuose, pasitelkė daugiau kaip 270 metų žinomą fizikos reiškinį ir sukūrė savotišką „atominę magistralę“ natrio jonams. Ji pritaikyta katodui, naudojamam natrio jonų baterijose.
Šis metodas gali atverti kelią didelio masto energijos kaupimo infrastruktūrai, paremtai nebrangiu ir gausiai prieinamu natriu.
Perėjimas prie švaresnės, „žalios“ ekonomikos šiandien daugiausia remiasi ličio jonų baterijomis, kurios kaupia saulės ir vėjo elektrinių pagamintą energiją. Tokios baterijos taip pat būtinos įvairiuose įrenginiuose – nuo išmaniųjų telefonų iki elektromobilių.
Vis dėlto ličio išgavimas yra sudėtingas ir ne itin draugiškas aplinkai, todėl jo plataus masto naudojimas tampa brangus tiek finansiniu, tiek ekologiniu požiūriu.
Tuo tarpu baterijose naudojant gausiai prieinamas medžiagas, tokias kaip natris, būtų galima reikšmingai sumažinti sąnaudas ir ilgainiui mažinti poveikį aplinkai. Tačiau natrio jonai yra didesni už ličio jonus, todėl jie linkę „užkimšti“ katodą ir spartinti jo dėvėjimąsi. Dėl šios priežasties mokslininkai jau kurį laiką ieško tinkamesnės katodo medžiagos.
Atominės magistralės kūrimas
Tyrėjai iš „Indian Institute of Science Education and Research“ (Bhopalas) ir „Indian Institute of Technology“ (Gandhinagaras) kartu su kolegomis iš Australijos ir Jungtinės Karalystės sukūrė katodą, leidžiantį natrio jonams judėti greitai ir pakartotinai, neardant pačios medžiagos struktūros.
„Nusprendėme sukurti tinkamą katodo infrastruktūrą – atominę magistralę, kad natrio jonai galėtų pralėkti kiaurai“, – aiškino tyrime dalyvavęs doktorantas Subhajit Singha.
Katodo pagrindu mokslininkai pasirinko junginį Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇) – geležies pagrindu sukurtą fosfato ir pirofosfato mišinį. Ši medžiaga natūraliai sudaro stabilią trimatę tunelinę struktūrą, kuri palengvina natrio jonų judėjimą.
Leidenfrost efektas – senas triukas naujam sprendimui
Vis dėlto tyrėjai žinojo, kad vien geležies pagrindu sukurtoms katodo medžiagoms dažnai būdingi laidumo ir energijos pernašos trūkumai. Siekdami tai išspręsti, jie į mišinį įvedė indį.
Pakeitus vos 1 procentą geležies atomų indžiu, pavyko padidinti atstumus tarp atomų katodo struktūroje. Didesni tarpai leido natrio jonams judėti lengviau, todėl pagerėjo laidumas.
Tačiau vien pakoreguotos sudėties nepakako – reikėjo ir efektyvesnio, aplinkai palankesnio gamybos proceso. Tam mokslininkai pasitelkė Leidenfrost efektą.
Maždaug prieš 270 metų vokiečių gydytojas Johannas Gottlobas Leidenfrostas pastebėjo, kad vandens lašai, patekę ant itin įkaitinto metalo paviršiaus, tarsi slysta beveik be trinties. Taip nutinka todėl, kad vandeniui akimirksniu virstant garais susidaro savotiška „garų pagalvė“, kuri laikinai atskiria lašą nuo metalo paviršiaus.
Tuo pačiu principu tyrėjai purškė katodo medžiagos tirpalą ant įkaitinto metalo: susidarius Leidenfrost efektui, tirpalas akimirksniu išgaruodavo.
Taip formavosi sulydytos porėtos dalelės, kurios buvo „iškeptos“ į miltelius. Tokios dalelės veikia kaip smulkūs kempinės grūdeliai – jos sugeria elektrolitą ir užtikrina sklandesnę natrio jonų pernašą.
Šis metodas leido atsisakyti tradicinių aukštos temperatūros krosnių, todėl gamybos procesas tapo draugiškesnis aplinkai. Be to, pavyko pasiekti, kad katodo kristalinė struktūra išliktų stabili net po tūkstančių įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Palyginimui, įprastos ličio jonų baterijos dažniausiai išlaiko gerą našumą tik kelis šimtus ciklų.
Pasak pranešimo spaudai, optimizuota katodo medžiaga pasiekė didelį – maždaug 359 Wh/kg – energijos tankį ir išskirtinį patvarumą, leidžiantį stabiliai veikti ilgiau nei 10 000 įkrovimo–iškrovimo ciklų.
