Решаване на проблема с разтворителите при натриево-металните батерии

Алтернатива на литиево-йонната технология

Настоящата доминация на литиево-йонните батерии в индустриите за електрически превозни средства и съхранение на енергия е изправена пред предизвикателства, свързани с веригите за доставки на критични минерали като литий, кобалт, никел и графит [1]. В търсене на икономични и широкодостъпни алтернативи, изследователи от MIT, ръководени от професор Джу Ли, разработиха нов метод за оптимизация на натриево-метални батерии, съобщава MIT News [1]. Натрият е около 1000 пъти по-разпространен от лития и струва приблизително една стотна от неговата цена [1]. Основна пречка пред технологията обаче е високата химическа реактивност на натрия, която затруднява постигането на дългосрочна стабилност и бързо циклиране [1].

Ограниченията на конвенционалните електролити

Ключът към преодоляването на тези пречки се крие в електролита, който служи като преносител на йони между анода и катода [1]. В повечето случаи разтворителите в електролита участват в нежелани странични реакции с електродите, образувайки неразтворими съединения, които изграждат бариера пред йонния транспорт и водят до повреда на батерията [1]. Доскоро нито един електролит не осигуряваше пълна стабилност и при двата електрода едновременно [1].

През 2021 г. изследователската група на Ли идентифицира сулфонамидната молекула DMTMSA като изключително стабилен разтворител за литиеви батерии [1]. За да приложат сходен подход при натриевите системи, учените се стремят да намалят размера на молекулите на разтворителя [1]. По-малките молекули позволяват на натриевите йони да се придвижват по-бързо — аналогично на преминаването през тълпа с малка раница вместо с голям куфар [1]. Това ускорява транспортните процеси и позволява бързо зареждане и разреждане.

Изображение: Weiyin Chen чрез MIT News

AI-ускорено търсене и откриването на DMFSA

Намаляването на размера на разтворителите обаче често е придружено от влошаване на електрохимичната стабилност. За да преодолеят този компромис, изследователите търсят молекули от същото семейство (конгенери) като DMTMSA [1]. Докторантът Чиа-Вей Сю разработва алгоритъм с изкуствен интелект, който проектира 100 000 кандидат-молекули в рамките на 24 часа [1].

Чрез прилагане на технически критерии за сходство във формата и електронните свойства, селекцията е свита до 200 кандидати, от които 27 представители са тествани експериментално при еднакви условия [1]. Като най-ефективно решение се откроява молекулата DMFSA [1]. Тя се явява най-малкият и същевременно най-стабилен разтворител, осигуряващ оптимален баланс между бърз йонен транспорт и дълготрайност на клетките [1].

Бъдещето на електролитното инженерство

Разработката, публикувана в научното списание Joule, демонстрира нов систематичен подход за дизайн на електролити въз основа на молекулярния размер и структурното сходство като водещи принципи [1]. Според водещия съавтор Уейин Чен екипът вече провежда следващо търсене за още по-ефективни молекули, използвайки DMFSA като отправна точка [1]. Предложената методология е широко приложима и може да повлияе върху дизайна на широк спектър от бъдещие технологии за съхранение на енергия [1].

Източници:
[1]: Solving the solvent problem - MIT News