W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Small zespół z kilku ośrodków (m.in. w Indiach i Wielkiej Brytanii) pokazuje, że ta parowa poduszka może być czymś więcej niż ciekawostką do popularyzacji nauki. W ich rękach staje się narzędziem do szybkiej, relatywnie energooszczędnej syntezy porowatego materiału katodowego, który ma wytrzymywać tysiące cykli ładowania i rozładowania.
Dlaczego w ogóle wracamy do sodu, skoro lit rządzi światem?
W każdej rozmowie o bateriach prędzej czy później pojawia się lit. Jest wydajny, sprawdzony i stoi za rewolucją mobilności. Ma jednak dwie wady, które bolą coraz bardziej, gdy myślimy o magazynowaniu energii na skalę sieciową. Są to ograniczona dostępność i koszty łańcucha dostaw. Sód jest pod tym względem nudno obfity. Łatwo go pozyskać i jest tani, a to w energetyce bywa argumentem mocniejszym niż slogany o przełomie.
Kłopot w tym, że jony sodu są większe niż litowe. To tak, jakby wpuścić cięższe walizki do tej samej windy. Da się, ale szybciej się zużywa i łatwiej o zatory. W baterii ten problem skupia się szczególnie w katodzie, która musi znosić wielokrotne “wchodzenie i wychodzenie” jonów bez degradacji struktury.
Badacze postawili na materiał z rodziny fosforanów i pirofosforanów, o wzorze Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇). Tego typu “polianionowe” katody są cenione za stabilność i bezpieczeństwo, bo ich szkielet krystaliczny jest zwykle odporny na puchnięcie i pękanie podczas pracy. Ale jest też klasyczny haczyk. Przewodnictwo i kinetyka transportu jonów często nie rozpieszczają, więc trzeba szukać sposobów na “poszerzenie pasów ruchu” w skali atomowej.
Tu pojawia się ciekawy pomysł. W strukturze materiału zastąpiono niewielką część atomów żelaza domieszką indu. Mowa o bardzo małej skali, rzędu około 1% podstawień. Efekt ma być zaskakująco duży: delikatne “rozepchnięci” sieci krystalicznej i poprawa przewodnictwa elektronicznego bez rozwalenia całej architektury materiału. W świecie baterii to jest właśnie ten rodzaj inżynierii, który lubią materiały. Minimalna ingerencja, maksymalny zysk, a przede wszystkim stabilność w długim horyzoncie.
Leidenfrost w laboratorium materiałowym. Jak zrobić proszek bez pieca pożerającego energię?
Najciekawszy element to jednak sposób produkcji. Zespół wykorzystał efekt Leidenfrosta jako platformę do syntezy: roztwór prekursorów jest rozpylany na mocno rozgrzaną powierzchnię, gdzie krople nie przywierają, tylko unoszą się na warstwie pary i gwałtownie odparowują. W praktyce powstają drobne, porowate cząstki, z których finalnie otrzymuje się proszek katodowy.
Brzmi jak sztuczka, ale ma konkretne konsekwencje. Tradycyjne metody często wymagają długiego wygrzewania w piecach, co kosztuje energię i utrudnia skalowanie. Tu idea jest prostsza. Krótszy proces, mniej energochłonny etap, a jednocześnie mikrostruktura sprzyjająca pracy baterii, bo porowate ziarna lepiej “przyjmują” elektrolit, a jony sodu mają krótsze drogi dyfuzji. W bateryjnej praktyce to właśnie takie detale wskazują na materiał, który ma szansę przetrwać w realnym urządzeniu.
W doniesieniach pojawia się deklaracja wysokiej gęstości energii rzędu ~359 Wh/kg dla zoptymalizowanej katody oraz bardzo dobra trwałość i stabilna praca raportowana nawet przez 10 000 cykli ładowania i rozładowania. Jeśli te parametry utrzymają się w pełnych ogniwach i warunkach poza laboratorium, mówimy o potencjalnie bardzo mocnym kandydacie do magazynów energii zasilających sieć, gdzie liczy się długowieczność i koszt.
Takie wyniki mogą jednak zależeć od konkretnego reżimu testów, konfiguracji elektrody i doboru elektrolitu. W świecie baterii łatwo zachwycić się cyklami, a trudniej przenieść to na masową produkcję, gdzie dochodzi powtarzalność partii, kontrola zanieczyszczeń i zachowanie parametrów w różnych temperaturach.
Źródła: Tech Xplore; NIH