Натрий-ион для дата-центров

Сегодня наиболее популярным способом хранения электроэнергии является использование литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов. На рынке смартфонов они вытеснили никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогибридные (Ni-MH) аккумуляторы, успешно конкурируют с свинцово-кислотными на рынке дата-центров, стали незаменимой частью стремительно растущего рынка электромобилей. 

Изобретатели литий-ионных батарей заслуженно получили в 2019 году Нобелевскую премию по химии. Но есть у этих батарей и недостатки. Самый известный – взрывоопасность при коротком замыкании и нарушении герметичности корпуса, из-за чего авиакомпании разрешают провозить небольшие аккумуляторы только в ручной клади , а крупные – запрещают совсем.

 

Другой недостаток – высокая стоимость. Вследствие постоянно растущего спроса и ограниченных запасов на планете лития и кобальта она вряд ли будет снижаться, особенно в свете борьбы с глобальным потеплением и отказом от использования невозобновляемых источников энергии. Ведь на аккумулятор только для одного электромобиля понадобится килограммов десять чистого лития и в два раза больше кобальта. 60% кобальта добывается в одной из самых бедных и нестабильных стран мира – Демократической Республике Конго, причем с применением детского труда, что не улучшает имидж производства.

Наиболее перспективной заменой литию считается натрий. Цена натрий-ионных аккумуляторов (Na-Ion) потенциально ниже из-за широкой доступности солей натрия – их запасы огромны. Сходство основных принципов работы натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов позволяет задействовать уже существующие линии производства. Na-Ion-аккумуляторы можно хранить и транспортировать полностью разряженными, что снижает риски безопасности при перевозках. Другой плюс – использование для производства анодного материала более экологичных материалов, вплоть до пищевых отходов.

Натрий-ионные аккумуляторные элементы состоят из катода на основе натрийсодержащего материала, анода и жидкого электролита, содержащего соли натрия. Во время зарядки ионы натрия извлекаются из катода и встраиваются в анод, в то время как электроны проходят через внешнюю цепь. Во время разряда происходит обратный процесс – ионы натрия извлекаются из анода и повторно интеркалируются в катод, а электроны, проходя через внешнюю цепь, выполняют полезную работу. 

Разработка Na-Ion-батарей началась в 70-х годов прошлого века, параллельно с литий-ионными, но коммерческие перспективы лучше выглядели у Li-Ion. Да и применяемый в коммерческих литий-ионных батареях графит плохо подходил для натрий-ионных батарей, так как он не способен накапливать более крупные ионы натрия. Решающим моментом в развитии Na-Ion-батарей стало открытие в 2000 году возможности накопления ионов натрия в некристаллической структуре – «твердом углероде». Этот материал стал основным претендентом на использование в качестве анода.

Долгое время исследования в области натрий-ионных аккумуляторов шли достаточно вяло, поскольку основной интерес был направлен на литий-ионные. Однако, когда сфера применения последних начала включать столь энергоемкие источники, как электромобили, системы бесперебойного питания ЦОДов и системы компенсации нагрузок в электросетях, стало ясно, что нужна более дешевая альтернатива с доступной базой исходного сырья. Это вызвало резкий рост числа научных работ и технологических стартапов в области Na-Ion. 

В начале 2015 года RS2E, французская исследовательская и технологическая сеть, занимающаяся электрохимическим накоплением энергии, в сотрудничестве с Национальным центром научных исследований Франции (CNRS) выпустила первую Na-Ion-батарейку в формате 18650 (диаметр 18 мм, высота 65 мм).  

Дочерняя компания CNRS, Tiamat, британская компания Faradion Limited и китайская HiNa встали во главе движения по коммерциализации Na-Ion батарей. В 2018 году организованная на базе Института физики Китайской академии наук HiNa разработала низкоскоростной мини-электромобиль с питанием от Na-Ion-аккумуляторов. Tiamat в марте 2021 года сообщила о привлечении 5 млн евро для начала производства натриевых аккумуляторных батарей для гибридных автомобилей. Натрий-ионные батареи Faradion будет применять в мобильных накопителях солнечной энергии английская компания AceOn. Эту технологию планируют использоваться в коммерческих целях в странах Африки к югу от Сахары.

Натрий-ионные батареи разрабатываются и в России. Лаборатория материалов для электрохимических процессов химического факультета МГУ запатентовала в 2019 году анодные и катодные материалы для натрий-ионных батарей. Работы коллектива в этой области вошли в топ-10 научных открытий 2020 г. в России. Свои наработки лаборатория продемонстрировала форуме «Армия-2021»: к такой батарее была подключена загорающаяся световая рамка.

Представитель лаборатории Григорий Лакиенко пояснил нашему изданию, что считает перспективным использование натрий-ионных батарей для сохранения энергии солнечных электростанций или в качестве резервного источника питания в дата-центра. Хотя натрий-ионный аккумулятор дешевле литий-ионного аналогичной мощности, но по массогабаритным характеристикам уступает последнему. Поэтому в мобильной электронике у Li-ion пока нет конкурентов, но в больших комплексах батарей масса не так критична и цена становится важнее. Исполнительный директор по исследованиям Uptime Institute Энди Лоуренс отмечает , что они могут заменить и ДГУ: «Уже появились альтернативные технологии, которые могли бы конкурировать с литий-ионными батареями в ЦОДах. Это, например, натрий-ионные батареи на основе электродов, модифицированных берлинской лазурью». 

Технологии непрерывно совершенствуются, и, возможно, в не слишком отдаленной перспективе на быстро развивающемся рынке ЦОДов появится новый игрок, который потеснит укрепляющие свои позиции литий-ионные аккумуляторы.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!

<< Предыдущая статья   Вернуться к содержанию   Следующая статья >>