Четыре минуты до полного заряда: прорыв в технологии натриевых батарей

Исследовательская группа из Китая разработала принципиально новую конструкцию натрий-металлической батареи (НМБ), которая заряжается с нуля до 100% всего за четыре минуты и сохраняет ёмкость на протяжении более 6000 часов испытаний. Результаты опубликованы в журнале *Nano-Micro Letters*. Хотя путь от лаборатории до полок магазинов ещё долог, работа знаменует важный шаг в поиске доступной альтернативы литий-ионным аккумуляторам.

Натрий против лития: в чём разница

Литий-ионные батареи, которые питают смартфоны, электромобили и системы хранения энергии, зависят от сравнительно редких и географически сосредоточенных металлов — лития и кобальта. Натрий — принципиально иная история: он входит в состав обычной поваренной соли и является одним из наиболее распространённых элементов в земной коре, что делает его значительно дешевле и доступнее.

Натрий-металлические батареи отличаются от более изученных натрий-ионных (Na-ion) тем, что используют анод из чистого металлического натрия, а не из графита или жёсткого углерода. Это делает их потенциально легче, компактнее и сопоставимыми с литий-ионными по удельной энергии. Дополнительный плюс — безопасность: ионы натрия крупнее литиевых и не могут достаточно быстро перемещаться к повреждённому участку, чтобы вызвать тепловой разгон — самоподдерживающуюся реакцию, при которой батарея воспламеняется.

Главная проблема — и новое решение

Основной барьер для НМБ — образование дендритов: игольчатых кристаллических наростов металлического натрия, которые постепенно прорастают сквозь электролит и замыкают батарею. Натрий особенно склонен к этому из-за высокой химической активности. При каждом цикле заряда-разряда на аноде образуется тонкая оксидная плёнка (SEI), которая в случае натрия нестабильна и трескается, создавая точки роста дендритов.

Китайские исследователи решили эту проблему, разработав квазитвёрдый гелевый электролит Sn-FB QSE. Благодаря полутвёрдой внутренней структуре он механически препятствует росту дендритов, не позволяя им пробить разделитель, одновременно формируя более стабильный SEI-слой на аноде.

Ключевые технические результаты:

• Зарядка от 0 до 100% за 4 минуты с удержанием ёмкости 80,1 мА·ч/г — около половины от показателей литий-ионных батарей.
• При зарядке за 20 минут — сохранение 90% ёмкости на протяжении 2000 циклов, что соответствует теоретическим пределам литий-ионных аккумуляторов.
• Стабильная работа на протяжении более 6000 часов непрерывных испытаний без короткого замыкания из-за дендритов.
• Квазитвёрдый электролит обеспечивает дополнительную механическую защиту от проколов корпуса.

Перспективы и ограничения

Исследователи видят наиболее очевидную нишу для НМБ в общественном транспорте и городских электромобилях с коротким пробегом: несмотря на меньшую запасаемую энергию по сравнению с литий-ионными аналогами, сверхбыстрая зарядка делает их привлекательными там, где скорость пополнения заряда важнее дальности. Нынешний рекордсмен по скорости зарядки среди серийных электромобилей — BYD Denza — способен зарядиться с 10 до 70% за пять минут, однако требует специализированных зарядных станций мощностью 1 МВт.

Важно подчеркнуть, что до коммерческого применения НМБ ещё далеко. Гелевые электролиты чувствительны к перепадам температур, характерным для смартфонов и автомобилей в реальных условиях эксплуатации. Результаты необходимо воспроизвести независимо, а затем масштабировать — задачи, с которыми лабораторные прорывы в области батарей нередко оступаются.

Читайте также по теме: натрий-ионных аккумуляторах для энергосетей.

**Изображение:** аккумуляторная лаборатория, натриевая электрохимическая ячейка, зарядный тестовый стенд с многоканальным анализатором.