Прорывное исследование Токийского университета науки демонстрирует, что натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы в ближайшем будущем могут заменить литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в приложениях, требующих быстрой зарядки, высокой плотности энергии и повышенной безопасности. Результаты, опубликованные в журнале Chemical Science 15 декабря 2025 года, указывают на то, что эти аккумуляторы нового поколения могут преодолеть ключевые ограничения, которые сдерживали более широкое внедрение Na-ion технологии.
Ограничения литий-ионных аккумуляторов и восход натрий-ионных
На протяжении многих лет литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке хранения энергии, питая всё, от смартфонов до электромобилей. Однако литий-ионные аккумуляторы несут в себе неотъемлемые риски: они склонны к тепловому разгону (неконтролируемому перегреву и потенциальным возгораниям), а их зависимость от лития, географически концентрированного ресурса, вызывает опасения по поводу цепочки поставок.
Натрий-ионные аккумуляторы предлагают потенциальное решение. Натрий гораздо более распространен и дешев, чем литий, а натрий-ионные аккумуляторы по своей природе более стабильны. До сих пор проблема заключалась в достижении сопоставимой производительности с литий-ионными аккумуляторами с точки зрения скорости зарядки и плотности энергии.
Как работает прорыв
Команда Токийского университета науки сосредоточилась на твердом углероде (HC), материале, известном своей способностью быстро накапливать ионы натрия. Однако предыдущие попытки максимизировать скорость зарядки были затруднены «пробками» внутри электролита аккумулятора — ионы застревали при попадании в HC.
Чтобы решить эту проблему, исследователи объединили HC с оксидом алюминия, создав комбинированный электрод, который позволил ионам течь свободно. Это позволило ионам натрия проникать в HC со скоростью, сравнимой со скоростью проникновения ионов лития в графит в литий-ионном аккумуляторе.
Ключевой вывод заключается в том, что ионам натрия требуется меньше энергии для кластеризации в микроскопических порах HC, что означает, что Na-ion аккумуляторы теоретически могут заряжаться быстрее, чем Li-ion аккумуляторы. Это существенно, поскольку устраняет давний барьер для коммерциализации Na-ion.
Реальные последствия и преимущества безопасности
Этот прорыв имеет серьезные последствия для хранения энергии. Системы хранения энергии в масштабах энергосистемы, которые требуют быстрой разрядки для интеграции возобновляемых источников энергии, могут получить огромную выгоду. Быстрозаряжающиеся Na-ion аккумуляторы также могут улучшить хранение энергии в электромобилях и других приложениях с высоким спросом.
Что еще более важно, Na-ion аккумуляторы значительно безопаснее, чем их литиевые аналоги. Как показывают исследования Исламского университета технологий, Государственного университета Айдахо и Университета Ватерлоо, ионы натрия менее склонны к неконтролируемым реакциям, которые приводят к возгоранию или взрыву литий-ионных аккумуляторов.
Пожарная безопасность является критической проблемой: Совет главных пожарных Великобритании предупредил о «значительном пожарном риске», связанном с системами хранения энергии на литий-ионных аккумуляторах, которые могут гореть в течение часов или даже дней после воспламенения. Натрий-ионные аккумуляторы, напротив, предлагают гораздо более стабильную альтернативу.
«Наши результаты количественно демонстрируют, что скорость зарядки SIB с HC-анодом может достигать более высоких показателей, чем LIB», — заявил Синичи Комаба, ведущий автор исследования.
Это исследование подчеркивает, что будущее хранения энергии может лежать в натрии, предлагая убедительное сочетание производительности, экономической эффективности и повышенной безопасности.
