Japonský výskum ukazuje, že sodíkové akumulátory sa nabíjajú rýchlejšie ako lítiové a sú menej citlivé na teplotu, čo otvára možnosti ich použitia v elektromobiloch s veľkým potenciálom rozvoja.
Súťaž o vytvorenie účinnejších, odolnejších a lacnejších batérií naďalej prináša prekvapenia. Nový výskum, ktorý vykonali vedci z Tokijskej univerzity vied, poukazuje na to, že sodíkové batérie môžu mať jasnú výhodu oproti lítiovým v dvoch kľúčových aspektoch: rýchlosť nabíjania a tepelná stabilita. A nie, nejde len o lacnú alternatívu, ale o technológiu s reálnym potenciálom pre elektromobily.
Testovanie potvrdzuje to, čo doteraz bolo len domnienkou: vkladanie sodíka do určitých elektród je zo svojej podstaty rýchlejšie ako vkladanie lítium. Toto objavenie môže zmeniť vnímanie týchto batérií, ktoré boli tradične považované za kompromisné riešenie.
Kľúčová úloha pevného uhlíka
V centre tohto výskumu je takzvaný pevný uhlík, materiál, ktorý funguje ako záporná elektróda v sodíkových iónových batériách. Ide o porézny uhlík s nízkou kryštalickosťou, ktorý je schopný uchovávať veľké množstvo sodíka vo svojej vnútornej štruktúre.
Vďaka týmto vlastnostiam môžu sodíkové batérie dosahovať hustotu energie blízku hustote súčasných lítiových batérií, čo bolo ešte pred pár rokmi nepredstaviteľné. To ich robí oveľa atraktívnejšími pre použitie v náročných podmienkach, ako sú elektromobily, a nielen ako lacná alternatíva.
Kontext je nemenej dôležitý. Globálny prechod na obnoviteľné zdroje energie vedie k prudkému nárastu dopytu po batériách, pričom lítium nie je ani hojným, ani lacným zdrojom. Sodík je naopak jedným z najrozšírenejších prvkov na planéte a je dostupný za nízku cenu, čo z neho robí veľmi atraktívneho kandidáta z dlhodobého hľadiska.
Jedným z hlavných problémov pri hodnotení skutočnej výkonnosti pevného uhlíka bola samotná metóda testovania. Tradičné testy zvyčajne podhodnocujú jeho nosnosť, pretože v hustých elektródach vznikajú skutočné „iónové zátky“. Elektrolyt nie je schopný dodávať ióny dostatočnou rýchlosťou, čo umelo obmedzuje rýchlosť reakcie.
Aby sa tomuto efektu vyhli, tím pod vedením profesora Sinichi Komaba spolu s doktorandom Yuki Fuji a asistentom profesora Zachary T. Gossage použili iný prístup: metódu zriedeného elektródu. V podstate zmiešali častice pevného uhlíka s práškom oxidu hlinitého, elektrochemicky neaktívnym materiálom.
Starostlivým regulovaním pomerov sa im podarilo izolovať aktívne častice pevného uhlíka a zabezpečiť, aby každá z nich bola obklopená dostatočným množstvom iónov. Týmto spôsobom dokázali presne zmerať maximálnu rýchlosť vkladania sodíka aj lítium do rovnakého typu elektródy.
Sodík sa pohybuje rýchlejšie
Výsledky boli zrejmé. Sodíková reakcia, t. j. vkladanie sodíka do elektródy, je vo svojej podstate rýchlejšia ako lítiová reakcia v tom istom materiáli. Pomocou metód, ako je cyklická voltampérometria a elektrochemická impedančná spektroskopia, vedci vypočítali koeficient zdanlivej difúzie, parameter, ktorý udáva rýchlosť, akou sa ióny pohybujú vo vnútri materiálu.
Vo väčšine prípadov bol tento koeficient vyšší pre sodík ako pre lítium. Podľa samotného Komabu štúdia kvantitatívne dokazuje, že sodíkovo-iónová batéria s pevným uhlíkovým anódom sa môže nabíjať rýchlejšie ako ekvivalentná lítiovo-iónová batéria.
Ale to nie je všetko. Chemická analýza ukázala, že limitujúcou fázou procesu nabíjania je vyplnenie pórov pevného uhlíka, kde sa ióny zhlukujú a tvoria malé zhluky s takmer kovovým správaním. Na vytvorenie týchto štruktúr potrebuje sodík menej aktivačnej energie ako lítium.
To nielen vysvetľuje vyššiu rýchlosť nabíjania, ale znamená aj menšiu citlivosť na teplotu, čo je kritický faktor vo vysokovýkonných aplikáciách. Inými slovami, tieto batérie si môžu zachovať dobrý výkon aj v menej priaznivých teplotných podmienkach.
Viac ako lacná alternatíva
Záver štúdie je jednoznačný. Sodíkové batérie by sa nemali považovať len za bezpečnejšiu alternatívu k lítiovým batériám. Údaje ukazujú, že ponúkajú skutočné výhody v oblasti výkonu, najmä v situáciách, keď je rozhodujúci výkon a rýchlosť nabíjania.
Pre elektromobily to otvára zaujímavé perspektívy. Ak sa táto technológia rozšíri na priemyselnú úroveň, budeme môcť získať batérie, ktoré sa rýchlejšie nabíjajú, sú menej závislé od kriticky dôležitých materiálov a sú stabilnejšie pri zmenách teploty. A čo je obzvlášť dôležité, lacnejšia alternatíva, ktorá urýchli šírenie elektromobility.
