Kartais technologijų pažanga primena lenktynes dėl naujovių, o kartais – seniai žinomų fizikos reiškinių sugrįžimą. Šį kartą dėmesio centre atsidūrė Leidenfrosto efektas. Tai reiškinys, dėl kurio vandens lašas ant įkaitusios keptuvės ima „šokti“ ir slysti paviršiumi lyg ant ledo – jį pakelia plona garų pagalvė. Nors šis efektas aprašytas maždaug prieš 270 metų, dabar jis netikėtai pritaikomas kuriant katodą natrio jonų baterijoms.
Moksliniame žurnale Small publikuotame darbe kelių tyrimų centrų komanda iš Indijos ir Jungtinės Karalystės parodė, kad garų pagalvė gali būti ne tik įdomus eksperimentas mokslo populiarinimui. Jų siūlomas metodas tampa įrankiu greitai ir palyginti taupiai energijos atžvilgiu sintetinti porėtą katodinės medžiagos struktūrą, kuri, tikimasi, atlaikys tūkstančius įkrovimo ir iškrovimo ciklų.
Kam grįžtame prie natrio, jei ličio baterijos vis dar dominuoja?
Kiekvienoje diskusijoje apie baterijas anksčiau ar vėliau iškyla litis. Jis efektyvus, patikrintas, o būtent ličio technologijos iš esmės įgalino mobiliąją revoliuciją. Vis dėlto, kalbant apie energijos kaupimą tinklo mastu, litis turi dvi vis labiau juntamas problemas: ribotus išteklius ir sudėtingą bei brangiai kainuojantį tiekimo grandinės valdymą. Natris šiuo požiūriu yra tiesiog gausus: jį lengva išgauti, jis pigus, o energetikoje kaina neretai tampa svarbesniu argumentu nei skambios „revoliucijos“.
Tačiau natrio jonai yra didesni už ličio jonus. Tai galima palyginti su sunkesniais ir didesniais lagaminais toje pačioje lifto kabinoje: tilpti tilps, bet mechanizmas greičiau dėvėsis, o trikdžių tikimybė didės. Baterijose šis iššūkis ypač ryškus katode, kuri turi pakartotinai priimti ir išleisti jonus taip, kad kristalinė struktūra neirtų ir nesideformuotų.
Tyrėjai pasirinko medžiagą iš fosfatų ir pirofosfatų šeimos, kurios cheminė formulė – Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇). Tokios polianioninės katodų medžiagos vertinamos dėl stabilumo ir saugumo: jų kristalinis karkasas paprastai yra atsparesnis „išbrinkimui“ ir skilinėjimui baterijai veikiant. Vis dėlto čia slypi įprastas kompromisas – jonų laidumas ir pernašos kinetika dažnai nėra optimalūs, todėl reikia sprendimų, kurie mikroskopiniu masteliu „praplatintų judėjimo koridorius“.
Būtent čia atsiranda įdomi idėja: medžiagos struktūroje nedidelė dalis geležies atomų pakeičiama indu. Pakeitimas labai mažas – maždaug 1 %. Toks subtilus legiravimas turėtų suteikti netikėtai ryškų efektą: šiek tiek „praplėsti“ kristalinį tinklą ir pagerinti elektroninį laidumą, nesugriaunant bendros medžiagos architektūros. Baterijų srityje toks požiūris laikomas vienu palankiausių scenarijų: minimalus įsikišimas, o naudos ir stabilumo santykis ilguoju laikotarpiu – maksimalus.
Leidenfrosto efektas laboratorijoje: kaip gauti katodinę medžiagą be milžiniškų energijos sąnaudų?
Vis dėlto didžiausia naujovė slypi ne vien medžiagos sudėtyje, o jos gamybos metode. Komanda Leidenfrosto efektą panaudojo kaip sintezės platformą: precursorių tirpalas purškiamas ant stipriai įkaitinto paviršiaus, kur lašai neprilimpa, o laikosi ant garų sluoksnio ir itin greitai išgaruoja. Taip susidaro smulkios, porėtos dalelės, iš kurių galiausiai gaunami katodinės medžiagos milteliai.
Iš pirmo žvilgsnio tai gali skambėti kaip laboratorinis triukas, tačiau pasekmės labai praktiškos. Tradiciniai sintezės metodai dažnai reikalauja ilgo kaitinimo krosnyse, o tai reiškia dideles energijos sąnaudas ir sudėtingesnį mastelio didinimą. Leidenfrosto principu paremtas procesas siūlo trumpesnę, mažiau energiškai intensyvią sintezę, kurios metu kartu formuojasi baterijai palanki mikrostruktūra. Porėti grūdeliai geriau prisigeria elektrolito, o natrio jonams sutrumpėja difuzijos kelias. Tokios detalės neretai ir lemia, ar nauja medžiaga bus pritaikyta realiuose įrenginiuose.
Autoriai teigia, kad optimizuota katodinė medžiaga pasiekia didelį energijos tankį – apie 359 Wh/kg – ir demonstruoja itin gerą ilgaamžiškumą, stabiliai veikdama net per 10 000 įkrovimo–iškrovimo ciklų. Jei tokie parametrai pasitvirtins pilnuose elementuose ir už laboratorijos ribų, ši katoda galėtų tapti rimtu kandidatu tinklo masto energijos kaupimo sistemoms, kur svarbiausi kriterijai paprastai yra eksploatacijos trukmė ir kaina.
Vis dėlto tokie rezultatai dažnai priklauso nuo konkrečių bandymų sąlygų, elektrodų konfigūracijos ir naudoto elektrolito. Baterijų srityje palyginti lengva pasiekti įspūdingų ciklų laboratorijoje, tačiau gerokai sudėtingiau pakartoti sėkmę masinėje gamyboje, kur atsiranda partijų vienodumo, priemaišų kontrolės ir stabilaus veikimo skirtingose temperatūrose iššūkiai.
