Натрий – ионные аккумуляторы в настоящее время стремительно переходят из категории перспективных лабораторных разработок в статус главного коммерческого конкурента литий-ионных технологий. Сейчас ключевым драйвером этой технологической эволюции выступает разработка передовых катодных материалов. Следует отметить, что именно катод определяет энергетическую плотность, стабильность и, главное, конечную стоимость всей батареи. Поскольку натрий (Na) является четвертым по распространенности элементом на Земле и распределен географически равномерно, отказ от дефицитного и дорогого лития (Li) позволяет снизить себестоимость производства ячеек на 30 – 40%. Создание экономичных аккумуляторных батарей на базе НИА опирается на три основных класса передовых катодных соединений, каждый из которых имеет свои уникальные физико-химические свойства и примеры практического внедрения.

Основные классы передовых катодных материалов

Разработка экономичных катодов строится на использовании доступных переходных металлов — в первую очередь железа (Fe) и марганца (Mn), в отличие от литиевых аккумуляторов, жестко привязанных к дорогому кобальту (Co) и никелю (Ni).

Характерные примеры применения технологии

Передовые катодные материалы позволили натрий-ионным накопителям выйти на рынок коммерческого электротранспорта и стационарной энергетики.

1. Городской электромобильный транспорт и микромобильность

В сегменте недорогого электротранспорта высокая плотность энергии не так критична, как цена и безопасность. Слоистые оксиды переходных металлов стали идеальной основой для коммерческих НИА.

• • Пример: Китайский автогигант BYD и производитель JAC (в партнерстве с VW) запустили серийное производство компактных городских электромобилей, оснащенных натрий-ионными батареями на базе слоистых оксидов (на основе систем Na-Mn-O и Na-Fe-O). Такие машины имеют запас хода около 250–300 км, сохраняют до 90% емкости при морозах до -20°C и стоят значительно дешевле литиевых аналогов.

2. Коммерческие системы накопления энергии (ESS) и буферизация сетей

Для масштабных хранилищ возобновляемой энергии (солнечные и ветровые станции) ключевыми факторами являются пожаробезопасность и ресурс (количество циклов «заряд-разряд»). Здесь доминируют полианионные катоды.

• • Пример: Проекты компании CATL и стартапа Natron Energy. Промышленные накопители энергии используют катоды типа NASICON или аналоги берлинской лазури. Они выдерживают более 10 000 циклов без существенной потери емкости, абсолютно устойчивы к возгоранию и могут мгновенно отдавать или принимать высокую мощность, что критично для стабилизации частоты в промышленных электросетях.

3. Телекоммуникационное оборудование и источники бесперебойного питания (ИБП)

Замена токсичных и тяжелых свинцово-кислотных батарей в базовых станциях сотовой связи — огромный рынок для НИА.

• Пример: Использование натриевых ячеек с катодом из берлинской лазури. Из-за отсутствия в составе дорогого никеля и кобальта такие батареи позволяют телекоммуникационным компаниям снизить капитальные затраты на резервное питание дата-центров и вышек связи на 25–35%, обеспечивая при этом высокую экологическую безопасность при утилизации.

Исследования в России

Научная команда, состоящая из ученых, работающих на кафедрах радиохимии и электрохимии химического факультета Московского государственного университета, при участии сотрудников из Сколковского института науки и технологий, провели детальное исследование новых соединений для катода в натрий-ионных аккумуляторах.  Полученные научные результаты позволяют описать механизм работы катода и создать материалы для нового типа более дешевых и доступных батарей. Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. Исследование поддержано грантом Минобрнауки № 075-15-2022-1107, результаты опубликованы в журнале Chemistry of Materials. Сегодня мы не можем представить свою жизнь без портативных электронных устройств.

В каждом из них есть аккумулятор, который необходимо многократно и быстро заряжать, чтобы сохранять их мобильность. Самый популярный тип батарей – литий-ионные. Высокая плотность заряда и безопасность для окружающей среды – безусловные преимущества этих аккумуляторов. Однако количество лития для производства ограничено запасами месторождений, а его цена на рынке металлов нестабильна. Поэтому задача ученых и технологов – найти новые экономически доступные материалы. Одно из решений – замена лития на более дешевый натрий в материале катода и создание натрий-ионных аккумуляторов. Принцип работы батареи при этом не меняется: ионы щелочного металла изначально находятся между плоскостями соединения со слоистым строением, а в процессе заряда батареи покидают структуру и движутся к аноду; при разрядке батареи ионы возвращаются к катоду и встраиваются обратно в межслоевое пространство. Материал для натриевого электрода схож по составу с литиевым. Как правило, для изготовления катодов используют смешанные соли или оксиды металлов (например, LiFePO4 или NaFeO2), однако наиболее перспективными считаются структуры с несколькими различными металлами. Одно из таких соединений, обладающее составом NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2, изучила исследовательская группа МГУ и Сколтеха.

Материал обладает хорошими электрохимическими характеристиками, однако измерение емкости и плотности заряда – только начало. «Когда мы обнаруживаем материал, который хорошо себя проявляет, мы задаемся вопросом – почему так происходит с точки зрения процессов внутри структуры? – рассказывает один из авторов работы, ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ Игорь Пресняков. – Когда ионы натрия покидают катод, другие металлы в соединении могут изменять свой условный заряд, чтобы сохранить электронейтральность материала. Наша задача – понять, какой из металлов в структуре первым реагирует на выход натрия из межслоевого пространства, в какой последовательности они будут изменять свои степени окисления. Эти данные помогут нам не только разработать новые материалы, но и решить проблемы уже существующих аккумуляторов».

Чтобы заглянуть внутрь катода, химики использовали несколько различных методов. Среди преимуществ всех приборов особенно важна их селективность, возможность выбрать конкретный элемент (например, атомы никеля) и наблюдать только за его изменениями степени окисления или химического окружения. Один из методов – абсорбционная спектроскопия рентгеновского поглощения (XAS). Обычно XAS реализуется на крупных установках мегасайенс – синхротронах. Однако на кафедре радиохимии химического факультета МГУ смогли создать лабораторный спектрометр, который не уступает им по техническим характеристикам. «Очень часто попасть на синхротрон невозможно из-за большого количества желающих, – поясняет автор работы, младший научный сотрудник кафедры радиохимии Даниил Новичков. – Кроме того, время анализа на таких установках ограничено, поэтому круг исследований сужается. В этой работе благодаря постоянному доступу к прибору нам удалось изучить цикл заряда-разряда катода в режиме operando. Мы не отключали ячейку от источника тока во время измерений. Образец находился под рентгеновским пучком около 30 часов, и это уникальный эксперимент – нигде больше в России или Европе вы не сможете провести такой длительный анализ методом XAS».

Результаты исследования NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 с помощью этого прибора в сочетании с другими аналитическими методами помогли ученым понять, какие изменения происходят в структуре соединения в процессе работы катода. «Мы выяснили, что первым на выход натрия из структуры “реагирует” никель, его можно назвать самым активным металлом в этом соединении. Кроме того, нам удалось узнать, почему уменьшается емкость аккумулятора с позиции структурных изменений. Поэтому одна из наших задач в будущем – найти способы предотвратить деградацию катода», – рассказывает Игорь Пресняков.

Авторы работы планируют продолжать исследования в области материалов для аккумуляторов новых типов. Кроме того, уже сейчас они применяют XAS для изучения самых разных объектов: от радиоактивных изотопов до органических комплексных соединений. По мнению ученых, этот метод позволит им и коллегам из разных областей химии выйти на новый уровень исследований.

Заключение

Развитие технологии натрий-ионных аккумуляторов (НИА) и создание передовых катодных материалов знаменует собой начало новой эры в индустрии систем накопления энергии. Переход от дорогого и дефицитного лития к повсеместно доступному натрию позволяет решить главную проблему современного энергоперехода — высокую стоимость и географическую зависимость цепочек поставок.

Использование доступных переходных металлов, таких как железо и марганец, в структуре катодов (слоистых оксидов, полианионов и аналогов берлинской лазури) доказало свою экономическую и техническую состоятельность. Натрий-ионные батареи уже сегодня демонстрируют превосходную безопасность, способность работать при экстремально низких температурах и высокие темпы коммерциализации.

Перспективы развития технологии

В ближайшие годы развитие катодных материалов для НИА будет сосредоточено на решении нескольких критических задач:

• Повышение энергетической плотности: Ученые активно работают над модификацией слоистых оксидов с помощью контролируемого допирования (внедрения микродоз других элементов), чтобы приблизить их реальную емкость к теоретическому максимуму в 180–200 мА·ч/г.
• Подавление фазовых переходов: Одной из главных целей исследований является устранение структурной деградации катодов при глубоком разряде. Это позволит увеличить жизненный цикл батарей на базе слоистых оксидов до уровня литий-ионных аналогов.
• Коммерциализация безводных технологий синтеза: Для аналогов берлинской лазури критически важно полностью удалить остаточную воду из кристаллической решетки, что позволит исключить побочные реакции и резко поднять стабильность аккумулятора при высоких токах.

В течение следующих 5–10 лет натрий-ионная технология не вытеснит литий полностью из премиального сегмента (где важен максимальный запас хода, например, в дальнобойных электромобилях Тесла), но гарантированно займет доминирующее положение в секторе стационарных накопителей энергии (ESS), бюджетного городского электротранспорта и резервного питания.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему натрий-ионные аккумуляторы дешевле литий-ионных?

• Ответ: Натрий в тысячи раз более распространен на Земле, чем литий, и добывается практически в любой точке мира. Кроме того, в катодах натриевых батарей не используются сверхдорогие и токсичные кобальт и никель — их заменяют дешевые железо и марганец. Также в НИА вместо дорогой медной фольги на аноде используется доступный алюминий. В сумме это снижает себестоимость ячеек на 30–40%.

2. Можно ли использовать натриевый аккумулятор в смартфоне или ноутбуке?

• Ответ: Теоретически да, но практически это нецелесообразно. Плотность энергии у натрий-ионных батарей ниже, чем у литий-ионных (особенно типа NMC). Если вставить натриевую батарею в смартфон, гаджет станет примерно на 30–40% толще и тяжелее при той же длительности работы, что не устроит современных пользователей.

3. Какой тип катода для натрий-ионных батарей самый лучший?

• Ответ: Универсального ответа нет, выбор зависит от задачи:
  • Для недорогих электромобилей лучше подходят слоистые оксиды (высокая плотность энергии).
  • Для крупных солнечных или ветровых электростанций идеальны полианионные структуры типа NASICON (служат более 10 лет, пожаробезопасны).
  • Для ИБП и дата-центров оптимальны аналоги берлинской лазури (минимальная цена и простота производства).

4. Как ведут себя натрий-ионные аккумуляторы на морозе?

• Ответ: Это одно из главных преимуществ технологии. В отличие от литий-ионных батарей, которые резко «теряют емкость» при минусовых температурах, передовые натриевые аккумуляторы сохраняют до 85–90% своей рабочей емкости при морозах до -20°C и продолжают стабильно функционировать даже при -40°C.

5. Насколько безопасны натрий-ионные батареи по сравнению с литиевыми?

• Ответ: Они значительно безопаснее. Натрий-ионные ячейки обладают высокой термической стабильностью. Они практически не подвержены риску «теплового разгона» (взрывного самовозгорания при внутреннем коротком замыкании или механическом повреждении). Более того, для транспортировки их можно полностью разряжать до нуля вольт (0V), что делает их перевозку абсолютно безопасной, в отличие от литиевых батарей, которые всегда должны транспортироваться под частичным зарядом.