Kartais technologijų pažanga primena lenktynes dėl naujovių, o kartais – seniai žinomų fizikos triukų sugrįžimą. Šį kartą dėmesio centre atsidūrė Leidenfrosto efektas. Tai tas pats reiškinys, kurio dėka vandens lašas įkaitusioje keptuvėje pradeda „šokti“ ir slysti paviršiumi lyg ant ledo – jį pakelia plona garų pagalvė. Šis efektas aprašytas maždaug prieš 270 metų, o dabar sugrįžta kaip netikėta sudėtinė dalis recepto, kaip sukurti katodą natrio jonų baterijoms.
Moksliniame žurnale Small publikuotame darbe kelių tyrimų centrų komanda iš Indijos ir Jungtinės Karalystės parodė, kad ši garų pagalvė gali būti ne tik įdomus triukas mokslo populiarinimui. Jų rankose tai tampa įrankiu greitai ir palyginti energiškai taupiai sintetinti porėtą katodinės medžiagos struktūrą, kuri, kaip tikimasi, atlaikys tūkstančius įkrovimo ir iškrovimo ciklų.
Kam grįžtame prie natrio, jei „litio“ baterijos vis dar dominuoja?
Kiekvienoje diskusijoje apie baterijas anksčiau ar vėliau iškyla litis. Jis efektyvus, patikrintas ir būtent „litio“ technologijos iš esmės įgalino mobiliąją revoliuciją. Vis dėlto litis turi dvi vis labiau juntamas problemas, ypač kalbant apie energijos kaupimą tinklo mastu: ribotus išteklius ir sudėtingą, brangų tiekimo grandinės valdymą. Natris tuo požiūriu yra tiesiog nuobodžiai gausus. Jį lengva išgauti, jis pigus, o energetikoje kaina dažnai yra stipresnis argumentas nei deklaruojama „revoliucija“.
Problema ta, kad natrio jonai yra didesni už „litio“ jonus. Tai galima palyginti su sunkesniais ir didesniais lagaminais toje pačioje lifto kabinoje: tilpti tilps, bet įranga greičiau dėvisi, dažniau kyla užsikimšimų. Baterijose šis iššūkis ypač ryškus katodoje, kuri turi pakartotinai priimti ir išleisti jonus taip, kad per daug nenukentėtų jos kristalinė struktūra.
Tyrėjai pasirinko medžiagą iš fosfatų ir pirofosfatų šeimos, kurios cheminė formulė – Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇). Tokios vadinamosios polianioninės katodos vertinamos dėl savo stabilumo ir saugumo, nes jų kristalinis karkasas paprastai yra atsparus „išbrinkimui“ ir skilinėjimui baterijai dirbant. Tačiau čia slypi tipiškas kompromisas: jonų laidumas ir jų transporto kinetika dažnai nėra idealūs, todėl reikia sprendimų, kurie mikroskopiniu masteliu „praplatintų judėjimo koridorius“.
Čia ir atsiranda įdomus sumanymas. Medžiagos struktūroje nedidelė dalis geležies atomų pakeičiama indu. Kalbama apie labai mažą lygį – maždaug 1 % pakeitimų. Toks subtilus legiravimas turėtų duoti netikėtai didelį efektą: šiek tiek „praplėsti“ kristalinį tinklą ir pagerinti elektroninį laidumą nesugriaunant visos medžiagos architektūros. Baterijų srityje būtent tokio tipo medžiagų inžinerija laikoma idealiu scenarijumi – minimalus įsikišimas, maksimalus naudos ir stabilumo ilguoju laikotarpiu santykis.
Leidenfrosto efektas laboratorijoje: kaip gauti katodinį miltelius be milžiniškų energijos sąnaudų?
Vis dėlto didžiausią naujovę čia sudaro ne pati medžiagos sudėtis, o gamybos būdas. Komanda Leidenfrosto efektą panaudojo kaip savotišką sintezės platformą: precursorių tirpalas purškiamas ant stipriai įkaitinto paviršiaus, ant kurio lašai neprilimpa, o laikosi ant garų sluoksnio ir labai greitai išgaruoja. Taip susidaro smulkios, porėtos dalelės, iš kurių galiausiai gaunamas katodinės medžiagos miltelis.
Skamba kaip triukas, bet pasekmės labai praktiškos. Tradiciniai sintezės metodai dažnai reikalauja ilgo kaitinimo krosnyse, tai suvartoja daug energijos ir apsunkina didelio masto gamybą. Leidenfrosto pagrindu sukurto proceso idėja – trumpesnė, mažiau energiškai intensyvi sintezė, kurios metu tuo pačiu susiformuoja baterijai palanki mikrostruktūra. Porėti grūdeliai geriau prisigeria elektrolito, o natrio jonai turi trumpesnį difuzijos kelią. Tokios detalės dažnai ir lemia, ar nauja medžiaga įsitvirtins realiuose įrenginiuose.
Autoriai skelbia, kad optimizuota katoda pasiekia didelę energijos tankį – apie 359 Wh/kg – ir demonstruoja labai gerą ilgaamžiškumą, stabiliai dirbdama net per 10 000 įkrovimo–iškrovimo ciklų. Jei tokie parametrai bus išlaikyti pilnose elementuose ir už laboratorijos ribų, ši katoda gali tapti labai rimtu kandidatu tinklo masto energijos kaupimo sistemoms, kur svarbiausi veiksniai – eksploatacijos trukmė ir kaina.
Vis dėlto tokie rezultatai dažnai priklauso nuo konkrečių testavimo sąlygų, elektrodų konfigūracijos ir naudoto elektrolito. Baterijų pasaulyje santykinai lengva sužibėti laboratoriniais ciklais ir kur kas sunkiau pakartoti sėkmę masinėje gamyboje, kur atsiranda gamybos partijos vienodumo, priemaišų kontrolės ir veikimo įvairiose temperatūrose iššūkiai.
