Выбор замены литию зависит от конкретных требований и задач.
Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion) — тип электрического аккумулятора, который имеет близкие к литий-ионному аккумулятору энергетические характеристики, но стоимость применяемых в нём материалов значительно ниже (натрий примерно в 50 раз дешевле лития). Большим преимуществом натрий-ионных батарей является безвредность разряда до нуля, что делает более безопасной их перевозку и хранение
История
Разработка натрий-ионных аккумуляторов началась ещё в 1970-х годах, но литий-ионные батареи показались производителям более многообещающими[2].
Разработка этого типа аккумулятора шла необычно долго, с 1990-х, а серийный выпуск начался лишь в начале 2015 года (компания Aquion Energy выпустила первую Na-Ion батарею в формате батареи 18650)[ . Продолжение исследований швейцарскими учёными позволило в 2017 году получить значительно большую стабильность ёмкости по числу циклов заряд-разряд[4].
Трудность в замене лития более дешёвым натрием возникла из-за разницы размеров катионов натрия Na+ и лития Li+ — больший диаметр первых затруднял создание сепараторов.
В ноябре 2017 французская компания Electrochemical Energy Storage (RS2E) анонсировала новую улучшенную батарею формата 18650, имеющую напряжение 3,5 В, удельную ёмкость 90 Вт*ч/кг, количество циклов заряд-разряд более 2000 без существенной потери ёмкости, что соответствует примерно 10 годам эксплуатации
Натрий-ионная батарея для глобальной автоиндустрии (применения в электромобилях) впервые была представлена в июле 2021 года китайской компанией Contemporary Amperex Technology (CATL).
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
Батареи с использованием железа вместо лития разрабатываются учёными, чтобы снизить стоимость и сделать производство аккумуляторов более экологичным.
В 2020 году исследователи из Индийского технологического института в Мадрасе создали железо-ионный аккумулятор, в котором анод выполнен из мягкой стали, а электролит — из эфира с растворённым в нём перхлоратором железа. Батарея выдержала порядка 150 циклов заряд-разряд, при этом после 50 циклов ёмкость аккумулятора сохранялась выше 54% от первоначального значения.
В 2024 году международная команда учёных решила заменить катод литий-ионной батареи на железный. Это четвёртый по распространённости в земной коре элемент, и его хватит надолго. Новый тип катода заменит более дорогие и редкие металлы — кобальт и никель, и откроет путь к производству более безопасных и дешёвых батарей с повышенной плотностью энергии.
Единственным ограничением батарей с использованием железа является то, что они намного больше литиевых батарей. Это означает, что их нельзя использовать в смартфонах, ноутбуках или электромобилях, но они могут хорошо работать в качестве практичного варианта стационарных накопителей энергии.
Батареи с использованием кремния вместо лития называются кремний-углеродными аккумуляторами. В них вместо обычного графита на аноде используется материал с кремнием: чаще всего карбид кремния (Silicon Carbide, SiC), реже диоксид кремния (Silicon dioxide, SiO2).
Преимущества кремний-углеродных батарей:
- Высокая плотность энергии и ёмкость. Кремний может хранить в 10 раз больше ионов лития, что означает более длительную автономную работу от одного заряда.
- Повышенная безопасность. Батарея на основе кремния менее склонна к нагреву, перегреть её в процессе даже достаточно интенсивной зарядки — сложная задача.
Недостатки:
- Деградация. Из-за изменения объёма кремния во время зарядки и разрядки такие аноды быстро деградируют: материал растрескивается, теряется электрический контакт.
- Ограниченная мощность зарядки. Производители ограничивают мощность зарядки из соображений безопасности, так как быстрое изменение объёма кремния во время циклирования усложняет формирование стабильного защитного слоя.
- Высокая стоимость. Производство кремний-углеродных анодов сложнее и дороже, чем распространённых графитовых.
Например, компания Panasonic заключила соглашение с Sila Nanotechnologies, согласно которому в электромобилях будущего будут использоваться более эффективные и долговечные литий-ионные батареи, в которых графит заменяется кремнием
Водные магниевые батареи — альтернатива литий-ионным аккумуляторам, в которых магний выступает в качестве активного агента для переноса заряда. Они могут работать в водной среде, что делает их подходящими для различных сложных гаджетов, включая аварийные системы и оборудование, требующее постоянного тока.
Принцип работы: магний служит анодом. При реакции с водой магний окисляется, освобождая электроны и образуя магний-гидроксид и водород. Освобождённые электроны движутся через внешнюю цепь к катоду, где происходит восстановительная реакция. Это создаёт электрический ток, который можно использовать для питания различных гаджетов.
Преимущества водных магниевых батарей:
- Эффективность: батареи данного типа могут функционировать до 20 дней до дополнительной подзарядки.
- Безопасность: водные магниевые батареи менее подвержены перегреву по сравнению с литий-ионными аккумуляторными батареями.
- Экологичность: магний — это обильный и безопасный материал, не вызывающий проблем с утилизацией, как у токсичных металлов из состава литий-ионных аккумуляторных батарей.
- Высокая плотность энергии: они имеют высокий энергозапас, что делает их конкурентоспособными даже для устройств с высоким энергопотреблением.
В декабре 2024 года стало известно, что учёные Университета Ватерлоо в Канаде разработали электролит, в котором магниевый анод работает эффективно — прототип вырабатывает напряжение 3 вольта.
