Проблема хранения энергии колоссальна для инициатив в области устойчивого развития. Действительно, разработка электромобилей, не выделяющих парниковые газы, зависит от наличия мощных и безопасных батарей, так же как развитие возобновляемых источников энергии – солнечной и ветровой – зависит от емкости хранения энергии. Литиевые батареи – современный ответ на эти вызовы. К сожалению, для лития требуются жидкие электролиты, которые очень взрывоопасны в случае утечки. "Более того, литий не везде на Земле, и он создает геополитические проблемы, аналогичные тем, которые окружают нефть.
Натрий – хороший кандидат на его замену, поскольку он по химическим и физическим свойствам близок к литию и встречается повсюду », – утверждает Фабрицио Мурджа, научный сотрудник факультета естественных наук UNIGE.
Слишком высокая температура
Два элемента – натрий и литий – находятся рядом друг с другом в Периодической таблице. "Проблема в том, что натрий тяжелее своего двоюродного брата лития. Это означает, что ему трудно найти электролит в батарее », – добавляет Маттео Бриги, научный сотрудник UNIGE и первый автор исследования.
Соответственно, существует необходимость в разработке электролитов, способных переносить катионы, такие как натрий. В 2013 и 2014 годах японские и американские исследовательские группы определили гидробораты как хорошие проводники натрия при температуре выше 120 ° C. На первый взгляд, это чрезмерная температура для повседневного использования аккумуляторов… но находка для женевской лаборатории!
Обладая многолетним опытом в области гидроборатов, используемых в таких приложениях, как хранение водорода, кристаллографы Женевы приступили к работе над снижением температуры проводимости. «Мы получили очень хорошие результаты с отличными свойствами, совместимыми с аккумуляторами. Нам удалось использовать гидробораты в качестве электролита от комнатной температуры до 250 градусов Цельсия без каких-либо проблем с безопасностью.
Более того, они выдерживают более высокую разность потенциалов, а это означает, что батареи могут хранить больше энергии », – продолжает Радован Черни, профессор лаборатории кристаллографии UNIGE и руководитель проекта.
Решение: расстройство
Кристаллография – наука, находящаяся между минералогией, физикой и химией – используется для анализа и понимания структуры химических веществ и прогнозирования их свойств. Благодаря кристаллографии можно проектировать материалы. Именно этот кристаллографический подход был использован для реализации производственных стратегий, опубликованных тремя исследователями из Женевы. «Наша статья предлагает примеры структур, которые можно использовать для создания и разрушения гидроборатов», – говорит Мурджа. Структура гидроборатов позволяет образовываться сферам из бора и отрицательно заряженного водорода.
Эти сферические пространства оставляют достаточно места для прохождения положительно заряженных ионов натрия. «Тем не менее, поскольку отрицательный и положительный заряды притягиваются друг к другу, нам нужно было создать беспорядок в структуре, чтобы разрушить гидробораты и позволить натрию двигаться», – продолжает Бриги.