Tyrėjų komanda iš Indijos, Australijos ir Jungtinės Karalystės, dirbdama keliuose mokslo institutuose, pasitelkė 270 metų senumo fizikos efektą ir sukūrė „atominę magistralę“ natrio jonams katode, naudojamame natrio jonų baterijose.
Šis metodas gali atverti kelią didelio masto energijos kaupimo infrastruktūrai, naudojančiai nebrangų ir gausiai prieinamą natrią.
Perėjimas prie švarios, „žalios“ ekonomikos šiuo metu remiasi ličio jonų baterijomis, kurios kaupia saulės ir vėjo elektrinių pagamintą atsinaujinančią energiją. Šios baterijos taip pat yra itin svarbios energijos kaupimui įvairiuose įrenginiuose – nuo išmaniųjų telefonų iki elektromobilių.
Vis dėlto ličio išgavimas yra sudėtingas ir ne itin draugiškas aplinkai, todėl jo plataus masto naudojimas yra ir finansiškai, ir ekologiškai brangus.
Kita vertus, baterijoms naudojant tokias gausiai prieinamas medžiagas kaip natris galima žymiai sumažinti sąnaudas ir ilgainiui sumažinti poveikį aplinkai. Tačiau natrio jonai yra didesni už ličio jonus ir linkę „užkimšti“ katodą, spartindami jo dėvėjimąsi. Siekdami to išvengti, mokslininkai jau kurį laiką ieško tinkamos katodo medžiagos.
Atominės magistralės kūrimas
Tyrėjai iš „Indian Institute of Science Education and Research“ Bhopale („IISER Bhopal“) ir „Indian Institute of Technology Gandhinagar“ („IITGN“) kartu su kolegomis iš „University of Southern Queensland“ Australijoje ir „Swansea University“ Jungtinėje Karalystėje sukūrė katodą, kuris leidžia natrio jonams judėti greitai ir pakartotinai, negriaunant medžiagos struktūros.
„Mes nusprendėme sukurti tinkamą katodo infrastruktūrą – atominę magistralę, kad natrio jonai galėtų skrieti kiaurai!“ – aiškino „IISER Bhopal“ doktorantas Subhajit Singha, dalyvavęs tyrime.
Kaip katodo pagrindą mokslininkai pasirinko junginį Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇) – geležies pagrindu sukurtą fosfato ir pirofosfato mišinį. Ši medžiaga natūraliai sudaro stabilią trimatę tunelinę struktūrą, kuri palengvina natrio jonų judėjimą.
Leidenfrost efektas – senas triukas naujam sprendimui
Vis dėlto tyrėjai žinojo, kad grynai geležies pagrindu sukurtos katodo medžiagos turi laidumo ir energijos pernašos trūkumų. Kad tai išspręstų, jie į mišinį įvedė indį.
Pakeitus vos vieną procentą geležies atomų indžiu, pavyko padidinti katodo medžiagos atominius tarpus. Didesni tarpai leido natrio jonams judėti lengviau, taip pagerinant katodo laidumą.
Tačiau vien tik patobulinti medžiagos „receptą“ neužteko – reikėjo efektyvesnio ir draugiškesnio aplinkai gamybos proceso. Tam mokslininkai pasitelkė Leidenfrost efektą.
Prieš maždaug 270 metų vokiečių gydytojas Johannas Gottlobas Leidenfrostas pastebėjo, kad vandens lašai, patekę ant smarkiai įkaitinto metalo paviršiaus, tarsi slysta be trinties. Taip nutinka todėl, kad vanduo virsdamas garais sukuria savotišką „pagalvę“ virš paviršiaus, kurio temperatūra gerokai viršija vandens virimo tašką, ir lašas ne iškart liečiasi su metalu.
Šis reiškinys lemia, kad nerūdijančio plieno keptuvės prie labai aukštų temperatūrų tampa tarsi nelimpančios. Tyrėjai tuo pasinaudojo purkšdami katodo medžiagos tirpalą ant įkaitinto metalo paviršiaus: susidarius Leidenfrost efektui, tirpalas akimirksniu išgaruodavo.
Taip susiformavo sulydėtos porėtos dalelės, kurios buvo „iškeptos“ į miltelius. Šios miltelinės dalelės veikia tarsi smulkūs kempinės grūdeliai – jos sugeria elektrolito skystį ir užtikrina sklandesnį natrio jonų pernašą.
Tokiu būdu pavyko atsisakyti tradicinių aukštatemperatūrinių krosnių, todėl gamybos procesas tapo draugiškesnis aplinkai. Be to, buvo užtikrinta, kad katodo kristalinė struktūra išliktų stabili net po tūkstančių įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Palyginimui, įprastos ličio jonų baterijos dažniausiai išlaiko našumą tik kelis šimtus ciklų.
„Optimizuota katodo medžiaga parodė didelį, maždaug 359 Wh/kg, energijos tankį ir išskirtinį patvarumą, užtikrinantį stabilią veikimą per daugiau kaip 10 000 įkrovimo–iškrovimo ciklų“, – teigiama „IITGN“ docento Raghavano Ranganathano pranešime spaudai.
