*Обложка создана ИИ-моделью gpt-image-2 через сервис от KolerskyAI
Сосредоточившись на электролитах, ученые из Массачусетского технологического института делают натриевые батареи более практичным вариантом хранения энергии.
Литий-ионные батареи являются сегодня ведущим выбором в индустрии электромобилей и систем хранения энергии, но они содержат ряд критически важных минералов, включая литий, кобальт, никель и графит, которые считаются необходимыми по экономическим соображениям и соображениям национальной безопасности, и поэтому уязвимы для сбоев в цепочке поставок. По мере развития возобновляемой энергетики, электрифицированной инфраструктуры и мощных цифровых технологий возрастает потребность в недорогих, ресурсоемких системах хранения энергии, способных к быстрой зарядке и разрядке.
Эта потребность, среди прочих причин, побудила группу исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Джу Ли, профессора энергетики имени Карла Ричарда Содерберга на кафедрах ядерной науки и инженерии (NSE) и материаловедения и инженерии, разработать взаимодополняющие решения для хранения энергии.
Команда исследователей изучает, в частности, натриевые батареи, которые обладают рядом привлекательных характеристик. Натрий примерно в 1000 раз более распространен, чем литий, и, если сравнивать по весу, стоит примерно в сто раз дешевле. Однако ключевой проблемой является высокая реакционная способность натрия, что затрудняет достижение в таких батареях как долговременной стабильности, так и быстрой циклической работы.
В новой статье, опубликованной на этой неделе в журнале Joule 15 членами команды из Массачусетского технологического института, показано, как можно решить эту дилемму, подобрав подходящий электролит для этой аккумуляторной системы.
Эта потребность, среди прочих причин, побудила группу исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Джу Ли, профессора энергетики имени Карла Ричарда Содерберга на кафедрах ядерной науки и инженерии (NSE) и материаловедения и инженерии, разработать взаимодополняющие решения для хранения энергии.
Команда исследователей изучает, в частности, натриевые батареи, которые обладают рядом привлекательных характеристик. Натрий примерно в 1000 раз более распространен, чем литий, и, если сравнивать по весу, стоит примерно в сто раз дешевле. Однако ключевой проблемой является высокая реакционная способность натрия, что затрудняет достижение в таких батареях как долговременной стабильности, так и быстрой циклической работы.
В новой статье, опубликованной на этой неделе в журнале Joule 15 членами команды из Массачусетского технологического института, показано, как можно решить эту дилемму, подобрав подходящий электролит для этой аккумуляторной системы.
Электролиты ведут себя неправильно
Электролит — один из трёх основных компонентов батареи, наряду с отрицательным электродом (анодом) и положительным электродом (катодом). Электролит действует как «кровь» батареи, позволяя электрически заряженным ионам перемещаться между двумя электродами. «Электролит должен просто передавать эти ионы, — объясняет Ли. — Он должен быть ионным проводником». Но, к сожалению, большинство электролитов вступают в нежелательные химические реакции с электродами, что может значительно подорвать стабильность батареи.
Последствия этих «побочных реакций» могут быть серьезными, говорит Вэйинь Чен, научный сотрудник NSE и один из четырех ведущих авторов статьи о Джоуле . Нерастворимые соединения, образующиеся в ходе реакций, могут накапливаться на электродах, создавая барьер, блокирующий перенос ионов и в конечном итоге приводящий к выходу батареи из строя.
По словам Чена, до недавнего времени ни один электролит, используемый в натрий-металлических батареях, не обладал полной стабильностью по отношению к этим нежелательным реакциям как на аноде, так и на катоде, хотя такая стабильность необходима для обеспечения длительного срока службы перезаряжаемых батарей. Первый прорыв произошел в 2021 году, когда группа Ли и ее коллеги идентифицировали молекулу «сульфонамида», состоящую из атомов серы, кислорода и азота, которая, при использовании в качестве растворителя, «волшебным образом стабильна на обоих электродах в литиевых батареях», — говорит Ли. Эта молекула известна как DMTMSA.
Опираясь на это открытие, Ли и его коллеги решили выяснить, могут ли родственные молекулы улучшить характеристики натриевых батарей. Цель состояла не только в поддержании стабильности, но и в обеспечении быстрой зарядки и разрядки. Если зарядка происходит слишком медленно, на полную перезарядку может уйти вся ночь, а если разрядка слишком медленная, батарея не сможет выдавать достаточно энергии, когда это необходимо.
Как растворитель пересёк дорогу?
Чен объясняет эту идею с помощью аналогии: предположим, вам нужно перейти улицу, переполненную пешеходами, подобно ионам, движущимся от одного электрода к другому. «Вы можете быстрее пробраться сквозь толпу с небольшим рюкзаком, плотно прилегающим к телу, чем таскать громоздкий чемодан на колесах», — говорит Чен.
Аналогичная ситуация наблюдается в батареях: когда ионы натрия окружены более мелкими растворителями, они могут двигаться быстрее, чем когда они окружены более крупными и объёмными растворителями. Более быстрая транспортировка ионов обеспечивает более быструю зарядку и разрядку. Соответственно, целью команды было выявление молекул растворителей, достаточно малых для улучшения транспортировки ионов при сохранении стабильности электролита.
Однако существует осложняющий фактор — компромисс, который необходимо учитывать: более быстрая транспортировка ионов часто происходит за счет стабильности электролита. Многие высокопроводящие электролиты легче вступают в реакцию с электродами, сокращая срок службы батареи. К счастью для их плана, говорит Ли, «уменьшение размера растворителей открывает новый путь для преодоления этого компромисса».
Тогда встает вопрос, как найти более компактный растворитель, обладающий другими желаемыми свойствами. Они решили искать «родственные» молекулы, говорит Ли, «то есть принадлежащие к одному семейству и имеющие схожую молекулярную структуру». В частности, они искали молекулы, родственные DMTMSA, надеясь найти кандидатов меньшего размера, которые могли бы сохранить стабильность, делающую DMTMSA таким перспективным.
Цзя-Вэй Сюй, аспирант Массачусетского технологического института, специализирующийся на материаловедении и инженерии, создал алгоритм с использованием искусственного интеллекта, который за 24 часа спроектировал на его компьютере 100 000 молекул-кандидатов. Затем Сюй сузил круг до 200 кандидатов, применив ряд технических критериев, включая сходство по форме с DMTMSA и сопоставимые электронные свойства. Для экспериментальных исследований были отобраны 27 репрезентативных кандидатов, охватывающих весь спектр возможностей.
«Мы тестировали их все в одинаковых условиях, чтобы обеспечить честное и прямое сравнение», — говорит Чен. В итоге определился явный победитель — растворитель DMFSA, который оказался одновременно самым маленьким и лучшим.
Малое прекрасно
Как утверждает Джинхёк Ли, доцент кафедры материаловедения Университета Макгилла, не принимавший участия в исследовании, эта работа «решает одну из самых актуальных проблем в исследованиях батарей: повышение производительности батарей при высоких скоростях зарядки и разрядки без ущерба для долговременной стабильности. Тщательно подбирая размер молекул растворителя, авторы демонстрируют новую стратегию проектирования, которая может позволить создавать более дешевые и высокопроизводительные батареи».
Работа группы на этом не заканчивается. Ведется новый поиск еще лучшего растворителя. На этот раз подход аналогичен, но в качестве отправной точки используется DMFSA (а не более крупная молекула DMTMSA). Чен считает, что обнаруженные ими новые растворители в конечном итоге могут привести к созданию перезаряжаемых натриево-металлических батарей, сочетающих в себе недорогие и доступные материалы с быстрой зарядкой и высокой мощностью, открывая двери для более широкого применения в системах хранения энергии.
Главная цель этой работы, как подчеркивают авторы, заключается не только в развитии натриевых батарей. Она также состоит в представлении нового подхода к разработке электролитов, в котором размер растворителя и молекулярное сходство являются ключевыми ориентирами. В этом контексте натриевые металлические батареи служат модельной системой для демонстрации более общего принципа проектирования.
«Поскольку эта концепция имеет широкое применение, — комментирует Ли, — ее влияние может выйти далеко за рамки натриевых батарей и повлиять на разработку широкого спектра будущих технологий хранения энергии».
Данная работа частично финансировалась за счет гранта Национального исследовательского фонда Кореи, а также стипендии Национального научного фонда США для аспирантов. Оборудование для характеризации, использованное в этом проекте, частично предоставлено Центром характеризации MIT.nano.
Электролит — один из трёх основных компонентов батареи, наряду с отрицательным электродом (анодом) и положительным электродом (катодом). Электролит действует как «кровь» батареи, позволяя электрически заряженным ионам перемещаться между двумя электродами. «Электролит должен просто передавать эти ионы, — объясняет Ли. — Он должен быть ионным проводником». Но, к сожалению, большинство электролитов вступают в нежелательные химические реакции с электродами, что может значительно подорвать стабильность батареи.
Последствия этих «побочных реакций» могут быть серьезными, говорит Вэйинь Чен, научный сотрудник NSE и один из четырех ведущих авторов статьи о Джоуле . Нерастворимые соединения, образующиеся в ходе реакций, могут накапливаться на электродах, создавая барьер, блокирующий перенос ионов и в конечном итоге приводящий к выходу батареи из строя.
По словам Чена, до недавнего времени ни один электролит, используемый в натрий-металлических батареях, не обладал полной стабильностью по отношению к этим нежелательным реакциям как на аноде, так и на катоде, хотя такая стабильность необходима для обеспечения длительного срока службы перезаряжаемых батарей. Первый прорыв произошел в 2021 году, когда группа Ли и ее коллеги идентифицировали молекулу «сульфонамида», состоящую из атомов серы, кислорода и азота, которая, при использовании в качестве растворителя, «волшебным образом стабильна на обоих электродах в литиевых батареях», — говорит Ли. Эта молекула известна как DMTMSA.
Опираясь на это открытие, Ли и его коллеги решили выяснить, могут ли родственные молекулы улучшить характеристики натриевых батарей. Цель состояла не только в поддержании стабильности, но и в обеспечении быстрой зарядки и разрядки. Если зарядка происходит слишком медленно, на полную перезарядку может уйти вся ночь, а если разрядка слишком медленная, батарея не сможет выдавать достаточно энергии, когда это необходимо.
Как растворитель пересёк дорогу?
Чен объясняет эту идею с помощью аналогии: предположим, вам нужно перейти улицу, переполненную пешеходами, подобно ионам, движущимся от одного электрода к другому. «Вы можете быстрее пробраться сквозь толпу с небольшим рюкзаком, плотно прилегающим к телу, чем таскать громоздкий чемодан на колесах», — говорит Чен.
Аналогичная ситуация наблюдается в батареях: когда ионы натрия окружены более мелкими растворителями, они могут двигаться быстрее, чем когда они окружены более крупными и объёмными растворителями. Более быстрая транспортировка ионов обеспечивает более быструю зарядку и разрядку. Соответственно, целью команды было выявление молекул растворителей, достаточно малых для улучшения транспортировки ионов при сохранении стабильности электролита.
Однако существует осложняющий фактор — компромисс, который необходимо учитывать: более быстрая транспортировка ионов часто происходит за счет стабильности электролита. Многие высокопроводящие электролиты легче вступают в реакцию с электродами, сокращая срок службы батареи. К счастью для их плана, говорит Ли, «уменьшение размера растворителей открывает новый путь для преодоления этого компромисса».
Тогда встает вопрос, как найти более компактный растворитель, обладающий другими желаемыми свойствами. Они решили искать «родственные» молекулы, говорит Ли, «то есть принадлежащие к одному семейству и имеющие схожую молекулярную структуру». В частности, они искали молекулы, родственные DMTMSA, надеясь найти кандидатов меньшего размера, которые могли бы сохранить стабильность, делающую DMTMSA таким перспективным.
Цзя-Вэй Сюй, аспирант Массачусетского технологического института, специализирующийся на материаловедении и инженерии, создал алгоритм с использованием искусственного интеллекта, который за 24 часа спроектировал на его компьютере 100 000 молекул-кандидатов. Затем Сюй сузил круг до 200 кандидатов, применив ряд технических критериев, включая сходство по форме с DMTMSA и сопоставимые электронные свойства. Для экспериментальных исследований были отобраны 27 репрезентативных кандидатов, охватывающих весь спектр возможностей.
«Мы тестировали их все в одинаковых условиях, чтобы обеспечить честное и прямое сравнение», — говорит Чен. В итоге определился явный победитель — растворитель DMFSA, который оказался одновременно самым маленьким и лучшим.
Малое прекрасно
Как утверждает Джинхёк Ли, доцент кафедры материаловедения Университета Макгилла, не принимавший участия в исследовании, эта работа «решает одну из самых актуальных проблем в исследованиях батарей: повышение производительности батарей при высоких скоростях зарядки и разрядки без ущерба для долговременной стабильности. Тщательно подбирая размер молекул растворителя, авторы демонстрируют новую стратегию проектирования, которая может позволить создавать более дешевые и высокопроизводительные батареи».
Работа группы на этом не заканчивается. Ведется новый поиск еще лучшего растворителя. На этот раз подход аналогичен, но в качестве отправной точки используется DMFSA (а не более крупная молекула DMTMSA). Чен считает, что обнаруженные ими новые растворители в конечном итоге могут привести к созданию перезаряжаемых натриево-металлических батарей, сочетающих в себе недорогие и доступные материалы с быстрой зарядкой и высокой мощностью, открывая двери для более широкого применения в системах хранения энергии.
Главная цель этой работы, как подчеркивают авторы, заключается не только в развитии натриевых батарей. Она также состоит в представлении нового подхода к разработке электролитов, в котором размер растворителя и молекулярное сходство являются ключевыми ориентирами. В этом контексте натриевые металлические батареи служат модельной системой для демонстрации более общего принципа проектирования.
«Поскольку эта концепция имеет широкое применение, — комментирует Ли, — ее влияние может выйти далеко за рамки натриевых батарей и повлиять на разработку широкого спектра будущих технологий хранения энергии».
Данная работа частично финансировалась за счет гранта Национального исследовательского фонда Кореи, а также стипендии Национального научного фонда США для аспирантов. Оборудование для характеризации, использованное в этом проекте, частично предоставлено Центром характеризации MIT.nano.
Фото создано моделью Nano Banana 2 через сервис от KolerskyAI
