Батареи близки к пределу того, сколько энергии они могут хранить на единицу массы. Это серьёзное препятствие для инноваций в энергетике и поиска новых способов питания самолётов, поездов и судов. Теперь исследователи из MIT и других организаций предложили решение, которое может помочь электрифицировать эти транспортные системы.

Вместо батареи новая концепция представляет собой своего рода топливный элемент — он похож на батарею, но может быть быстро заправлен вместо подзарядки. В данном случае топливом служит жидкий металлический натрий — недорогой и широко доступный материал. С другой стороны ячейки — обычный воздух, который служит источником атомов кислорода. Между ними находится слой твёрдого керамического материала, который выполняет роль электролита, свободно пропуская ионы натрия, а пористый электрод, обращённый к воздуху, помогает натрию химически реагировать с кислородом и вырабатывать электричество.

В серии экспериментов с прототипом устройства исследователи показали, что эта ячейка может хранить более чем в три раза больше энергии на единицу массы по сравнению с литий-ионными батареями, которые используются практически во всех современных электромобилях. Их результаты публикуются сегодня в журнале Joule в статье аспирантов MIT Карен Сугано, Сунила Майра и Саахира Ганти-Агравала, профессора материаловедения и инженерии Йет-Минга Чианга и ещё пяти соавторов.

«Мы ожидаем, что люди подумают, что это абсолютно безумная идея», — говорит Чианг, профессор керамики Kyocera. — «Если бы они так не подумали, я был бы немного разочарован, потому что если людям изначально не кажется, что идея безумная, скорее всего, она не будет революционной».

И эта технология действительно может оказаться весьма революционной, считает он. Особенно для авиации, где вес имеет решающее значение, такое улучшение энергетической плотности может стать прорывом, который, наконец, сделает электрические полёты практически реализуемыми в значимых масштабах.

«Порог, необходимый для реальной электрической авиации — примерно 1000 ватт-часов на килограмм», — говорит Чианг. Современные литий-ионные батареи для электромобилей достигают максимум 300 ватт-часов на килограмм — этого совершенно недостаточно. Даже при 1000 ватт-часов на килограмм, по его словам, этого было бы мало для трансконтинентальных или трансатлантических перелётов.

Это всё ещё недостижимо для любой известной химии батарей, но Чианг говорит, что достижение 1000 ватт-часов на килограмм станет ключевой технологией для региональной электрической авиации, которая составляет около 80% внутренних рейсов и 30% выбросов авиации.

Эта технология может стать основой и для других секторов, включая морской и железнодорожный транспорт. «Всем им требуется очень высокая энергетическая плотность и низкая стоимость», — говорит он. «Именно это и привлекло нас в металлическом натрии».

За последние три десятилетия было проведено много исследований по разработке литий-воздушных и натрий-воздушных батарей, но сделать их полностью перезаряжаемыми было сложно. «Люди давно знают о высокой энергетической плотности, которую можно получить с помощью металлических воздушных батарей, и это очень привлекательно, но на практике это так и не удалось реализовать», — говорит Чианг.

Используя ту же самую базовую электрохимическую концепцию, но применяя её не в батарее, а в топливном элементе, исследователи смогли получить преимущества высокой энергетической плотности в практичной форме. В отличие от батареи, материалы которой собираются один раз и герметично помещаются в корпус, в топливном элементе энергетические материалы могут поступать и выходить.

Команда изготовила два разных варианта лабораторного прототипа системы. В одном из них, который называется H-ячейкой, два вертикальных стеклянных цилиндра соединены поперечной трубкой, содержащей твёрдый керамический электролит и пористый воздушный электрод. Один цилиндр заполнен жидким металлическим натрием, через другой проходит воздух, обеспечивая кислород для электрохимической реакции в центре, в ходе которой натриевое топливо постепенно расходуется.

Другой прототип использует горизонтальную конструкцию: лоток из электролитного материала удерживает жидкое натриевое топливо. Пористый воздушный электрод, который способствует реакции, прикреплён ко дну лотка.

Тесты с использованием потока воздуха с тщательно контролируемым уровнем влажности показали энергоёмкость почти 1700 ватт-часов на килограмм на уровне отдельного «стека», что, по словам Чианга, соответствует более 1000 ватт-часов на килограмм на уровне всей системы.

Исследователи предполагают, что для использования этой системы в самолёте топливные блоки, содержащие стеки ячеек, подобные стойкам с подносами в столовой, будут вставляться в топливные элементы; находящийся внутри этих блоков металлический натрий будет химически преобразовываться по мере выработки электроэнергии. Поток побочного продукта будет выходить, и в случае самолёта это будет выбрасываться наружу, подобно выхлопу реактивного двигателя.

Однако есть очень важное отличие: не будет выбросов углекислого газа. Вместо этого выбросы, состоящие из оксида натрия, будут фактически поглощать углекислый газ из атмосферы. Это соединение быстро соединяется с влагой в воздухе с образованием гидроксида натрия — вещества, обычно используемого как средство для прочистки труб, — который затем легко связывается с углекислым газом с образованием твёрдого вещества — карбоната натрия, который в свою очередь превращается в гидрокарбонат натрия, также известный как пищевая сода.

«Происходит естественная цепочка реакций, когда вы начинаете с металлического натрия, — говорит Чианг. — Всё происходит спонтанно. Нам не нужно ничего делать, чтобы это случилось, — просто нужно лететь на самолёте».

В качестве дополнительного преимущества, если конечный продукт — гидрокарбонат натрия — попадёт в океан, это может помочь снизить кислотность воды, противодействуя ещё одному вредному эффекту парниковых газов.

Использование гидроксида натрия для улавливания углекислого газа рассматривалось как способ снижения выбросов углерода, но само по себе это невыгодно экономически, поскольку соединение слишком дорогое. «Но здесь это побочный продукт, — объясняет Чианг, — так что он, по сути, бесплатный, принося экологические преимущества без затрат».

Важно, что новый топливный элемент по своей природе безопаснее многих других батарей, говорит он. Металлический натрий чрезвычайно реакционноспособен и должен быть хорошо защищён. Как и литий в батареях, натрий может самовозгораться при контакте с влагой. «Когда у вас очень энергоёмкая батарея, безопасность всегда вызывает беспокойство, потому что если произойдёт разрыв мембраны, разделяющей два реагента, может случиться неконтролируемая реакция», — говорит Чианг. Но в этом топливном элементе с одной стороны только воздух, «который разрежен и ограничен. Так что нет двух концентрированных реагентов рядом друг с другом. Если вы стремитесь к действительно высокой энергоёмкости, топливный элемент предпочтительнее батареи с точки зрения безопасности».

Хотя устройство пока существует только как небольшой одноклеточный прототип, Чианг говорит, что систему будет довольно просто масштабировать до практических размеров для коммерциализации. Члены исследовательской группы уже основали компанию Propel Aero для разработки этой технологии. Сейчас компания размещается в инкубаторе стартапов MIT, The Engine.

Производство достаточного количества металлического натрия для широкого, полномасштабного внедрения этой технологии должно быть вполне осуществимо, так как ранее этот материал уже производился в больших масштабах. Во времена широко распространённого этилированного бензина, до его запрета, металлический натрий использовался для производства тетраэтилсвинца — добавки, и в США его производили с мощностью до 200 000 тонн в год. «Это напоминает нам, что металлический натрий когда-то производился и безопасно транспортировался по всей территории США», — говорит Чианг.

Более того, натрий в основном получают из хлорида натрия, то есть из обычной соли, поэтому он распространён, широко доступен и легко извлекается, в отличие от лития и других материалов, используемых в современных аккумуляторах для электромобилей.

Система, которую они предполагают, будет использовать сменный картридж, который будет заполняться жидким металлическим натрием и герметично закрываться.