На научно-технологической программе «Большие вызовы» школьники в рамках направления «Новые материалы» изучали строение натрий-ионных аккумуляторов. Этот тип электрического аккумулятора является более экологичным и экономически выгодным, чем традиционные литий-ионные. Сегодня натрий-ионные аккумуляторы уже начали применяться в некоторых сферах, например, в электротранспорте. В рамках «Больших вызовов» школьникам нужно было не только изучить принцип их работы, но и самостоятельно собрать прототип такого аккумулятора, разработав ключевой компонент его работы – гибкий электролит, представляющий собой полимерную мембрану. Проект курировали эксперты Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук.
Сейчас в различных областях производства в большей степени распространены литий-ионные аккумуляторы. Однако у них есть ряд недостатков, среди которых ограниченный диапазон рабочих температур, затрудненная зарядка при низких температурах, а также высокая стоимость производства, в том числе из-за ограниченного количества лития в земной коре. У литий-ионных аккумуляторов есть несколько видов альтернативы. Одни из самых перспективных – аккумуляторы на основе натрия.
«Мы считаем, что наиболее перспективным может стать именно натрий-ионный аккумулятор, поскольку натрий более доступный элемент, чем литий, и окружает нас везде – это и морская вода, и поваренная соль. Его также в разы больше в земной коре. Именно поэтому нужно понять, при подготовке каких материалов можно эффективно его использовать, какие технологии применять», – рассказывает о значимости проекта участница программы, школьница из Казани Арина Кузьмина.
В большинстве современных коммерческих аккумуляторов используется жидкий электролит. Он простой в изготовлении, но может вытечь или испариться. Кроме того, такой электролит потенциально может быть пожароопасен.
«Жидкие электролиты обладают рядом недостатков: текучестью, летучестью, высокой коррозионной активностью, а также низкой температурой разложения. В это же время полимерные электролиты безопасны и имеют низкую стоимость, поэтому в качестве электролита для нашего аккумулятора мы выбрали именно полимер», – объясняет один из участников проекта, школьник из Зеленограда Всеволод Курилин.
Перед сборкой натрий-ионного аккумулятора участникам проекта необходимо было подготовить мембрану из полимерного материала. Ее предстояло очистить в специальном растворе, а затем заменить протоны ионами натрия. Еще один важный этап работы – подбор растворителей. Они помогают стабилизировать работу аккумулятора и обеспечивают необходимую электропроводность. Одним из ключевых методов определения ионной проводимости в исследовании стала импедансная спектроскопия.
«Импеданс – это полное комплексное сопротивление. Его мы измеряли, чтобы определить такое важное свойство электролита, как ионную проводимость. Мы накладывали переменный ток разной частоты к нашей мембране и на основе данных уже получали сопротивление, которое пересчитывали в удельную проводимость – величину, обратную удельному сопротивлению», – объясняет один из участников проекта, школьник из Москвы Роман Фролов.
Подготовка мембраны и сборка натрий-ионного аккумулятора – многоступенчатый процесс, который предполагает использование разнообразных методик и различного лабораторного оборудования. В процессе работы над проектом школьники освоили дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК), ИК-спектроскопию, разные типы микроскопии.
«На проекте ребята познакомились с таким методом, как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), с помощью которой взглянули на нашу мембрану. Далее им предстояло изучить и электродный материал. Помимо работы с СЭМ, участники узнали о применении просвечивающего электронного микроскопа дифференциальной сканирующей калориметрии, она позволила проанализировать температурный диапазон действия электролита, его термическую стабильность. Кроме того, они научились считать теоретическую емкость электродных материалов, которую на самом деле очень трудно достичь при работе готового аккумулятора», – рассказывает соруководитель проекта, инженер-исследователь Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук Анна Лочина.
На финальной защите в рамках «Больших вызовов» ребята представили собранные натрий-ионные аккумуляторы с полимерным электролитом. Они представляют собой ячейки пуговичного типа. К ним присоединили различные гирлянды и светодиоды, чтобы продемонстрировать работу аккумуляторов.
