Исследователи из Технологического института штата Джорджия 19 июня опубликовали в журнале Joule статью, в которой представили новые результаты, подтверждающие потенциал натрия и калия в качестве альтернативы литию в элементах питания.

Природные запасы лития сокращаются быстрыми темпами из-за стремительного роста спроса на эффективные батареи для электромобилей и смартфонов. Натриевые и калиевые батареи пока не могут сравниться с литиевыми по энергоёмкости, но они базируются на химических элементах, которые встречаются в земной коре в тысячи раз чаще, чем литий, и, соответственно, во много раз дешевле его.

«Одной из самых больших проблем натрий- и калий-ионных батарей было то, что они, как правило, разрушаются и деградируют быстрее и удерживают меньше энергии, чем альтернативы, – поясняет Мэтью Макдауэлл (Matthew McDowell), адъюнкт-профессор Механико-технической школы им. Джорджа Вудруфа и Школы материаловедения. – Мы обнаружили, что из этого правила есть исключения».

При зарядке и разрядке батареи ионы проникают в частицы, из которых состоят электроды. Из-за этого объём частиц испытывает значительные и частые изменения, что может в конечном счёте приводить к разрушению электродов. Ионы натрия и калия крупнее литиевых, поэтому и ущерб, наносимый ими целостности электродного материала существенно больше.

В экспериментах, о которых рассказывается в статье, учёные наблюдали реакции, протекающие в батарее, посредством электронного микроскопа. Роль электрода выполняли частицы сульфида железа (пирит). Авторами было сделано неожиданное открытие: стабильность пирита в реакциях с натрием и калием была выше, чем с литием, то есть натриевые и калиевые батареи с электродами на основе сульфида железа должны иметь значительно более долгий, чем ожидалось, срок эксплуатации.

Разницу можно было видеть воочию на экране электронного микроскопа. Под действием ионов лития частицы пирита буквально взрывались, а натрий и калий лишь «надували» их, как воздушный шарик.

Исследование поставило под сомнение прежнюю аксиому – что большие объёмные изменения при электрохимической реакции всегда приводят к разрушению частиц. Авторы также выдвинули гипотезу, призванную обьяснить парадоксальные результаты экспериментов. По их предположению, реакции с литием наиболее вероятно концентрируются на острых кубических рёбрах наночастиц пирита. Взаимодействие с натрием и калием более размыто и происходит вдоль всей поверхности частицы, которая, в итоге, расширяется более равномерно во всё стороны, принимая овальную форму.