Дешевый натрий вместо дорогого лития: новый метод подскажет, в каких случаях такая замена возможна
iXBT.com ·
Ученые Юго-западного исследовательского института (Southwest Research Institute, SwRI) разработали метод, который позволяет определить, в каких устройствах натрий-ионные аккумуляторы способны полноценно заменить литий-ионные без серьезной переработки системы. Для этого ученые создали специальный показатель Electrical Interchangeability Index (EII) — индекс электрической взаимозаменяемости.
Ученые Юго-западного исследовательского института (Southwest Research Institute, SwRI) разработали метод, который позволяет определить, в каких устройствах натрий-ионные аккумуляторы способны полноценно заменить литий-ионные без серьезной переработки системы. Для этого ученые создали специальный показатель Electrical Interchangeability Index (EII) — индекс электрической взаимозаменяемости.
Литий-ионные аккумуляторы являются основой современной портативной электроники, электротранспорта и систем хранения энергии благодаря высокой удельной энергоемкости. Однако литий относительно дорог, а спрос на него растет. Натрий значительно доступнее, натрий-ионные элементы позволяют использовать более дешевые материалы. При этом они обычно уступают литий-ионным по энергоемкости, из-за чего аккумуляторная система может получиться тяжелее и крупнее.
Главная проблема заключается в том, что обычного сравнения емкости, напряжения, внутреннего сопротивления, эффективности или мощности недостаточно, чтобы понять, сможет ли один тип аккумулятора выполнять ту же работу в конкретном устройстве.
Индекс EII учитывает реальные требования определенного сценария эксплуатации и показывает, насколько две аккумуляторные технологии функционально взаимозаменяемы. Высокое значение означает, что переход на другую химию возможен без существенного влияния на работу устройства. Низкое указывает на необходимость переработки аккумуляторной системы либо на то, что такая замена в конкретном случае вообще невозможна.
Чтобы проверить метод, исследователи сравнили натрий-ионные элементы с распространенными литий-ионными аккумуляторами формата 18650 — цилиндрическими элементами диаметром 18 мм и длиной 65 мм. Такие аккумуляторы используются в электроинструментах, электромобилях и другой технике.
Вместо сравнения отдельных характеристик ученые испытали аккумуляторы в широком диапазоне режимов и оценили их способность отдавать и принимать мощность. При этом учитывались скорость заряда и разряда, рабочие пределы напряжения, доступная емкость, нагрев и способность аккумулятора следовать заданному профилю мощности.
Испытания позволили выделить режимы с высоким EII, в которых натрий-ионные и литий-ионные элементы показывали близкие результаты. В таких условиях у них были практически одинаковые нагрев, доступная емкость и мощность. Одновременно исследователи обнаружили режимы с низким EII, где прямая замена одного типа аккумулятора другим уже невозможна без изменения системы.
Разработчики подчеркивают, что EII не делает натрий-ионные батареи универсальной заменой литий-ионным. Метод предназначен для другого: он позволяет определить конкретные сценарии, в которых более дешевая химия способна работать без серьезной переработки устройства, и отделить их от случаев, где изменение конструкции неизбежно.
В перспективе EII может помочь производителям выбирать подходящую аккумуляторную технологию для новых устройств, искать альтернативных поставщиков и оценивать возможность использования нескольких типов батарей в одной системе. Это позволит внедрять новые аккумуляторные технологии там, где их характеристик действительно достаточно, не тратя ресурсы на ненужную переработку оборудования.