Японское англоязычное издание «Japan Today» опубликовало в прошлом месяце (май 2026 года) обзор «Может ли натрий заменить литий в качестве основного компонента батарей?» авторства исследователя в этой сфере Сайеда Абдула Ахада (Syed Abdul Ahad), — научного сотрудника программы Research Ireland Postdoctoral Fellowship на кафедре химии государственного Университета Лимерика (University of Limerick), Ирландия. Далее мы предлагаем вашему вниманию наш перевод данного обзора:

«Современный мир работает на аккумуляторах. Однако литий-ионные батареи, которые сегодня доминируют на рынке, дороги в производстве, а добыча необходимых для них материалов оказывает серьезное воздействие на окружающую среду. Кроме того, сырье для литий-ионных аккумуляторов является дефицитным и сосредоточено лишь в нескольких регионах мира, что создает постоянную нагрузку на цепочки поставок.

Перспективной альтернативой считаются натрий-ионные аккумуляторы, поскольку для них используются широко распространенные материалы. Однако натрий имеет ряд недостатков, которые до сих пор не позволяли ему стать полноценной заменой литию.

В ходе исследований, проведенных в Институте Бернала при Университете Лимерика, моя команда создала аккумулятор, сочетающий преимущества натрия и лития. Это может привести к появлению более экологичных батарей и снизить зависимость от цепочек поставок лития. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Energy.

Главный недостаток натрий-ионных аккумуляторов по сравнению с литий-ионными — более низкая плотность энергии, то есть количество энергии, которое батарея способна хранить относительно своего веса или объема. Именно этот показатель во многом определяет возможности устройств, работающих от аккумуляторов.

Если бы электромобили оснащались батареями с более низкой плотностью энергии, они могли бы проезжать значительно меньшее расстояние без подзарядки. Аналогично планшеты и ноутбуки пришлось бы делать тяжелее, чтобы обеспечить приемлемое время автономной работы.

Как исследователя в области накопителей энергии меня давно не покидал один вопрос: можно ли воспользоваться преимуществами натрия, не жертвуя производительностью? Эта дилемма напомнила мне древнюю философскую концепцию инь и ян, согласно которой противоположные силы не противостоят друг другу, а взаимно дополняются.

В нашем случае натрий — это распространенный, но менее эффективный материал, тогда как литий — высокоэффективный, но дефицитный. Эта противоположность натолкнула меня на мысль: а что, если не заставлять две технологии конкурировать, а объединить их?

Так мы создали первый полноценный аккумулятор с двумя электродами — положительным и отрицательным, — в котором используются сразу два типа положительно заряженных ионов: натрия и лития. Такие аккумуляторы называют батареями с двумя катионами (dual cation batteries).

Почему натрий уступает литию

Обычный аккумулятор состоит из одной или нескольких электрохимических ячеек, преобразующих химическую энергию в электрическую.

Каждая ячейка содержит два электрода: положительный — катод и отрицательный — анод.

Когда аккумулятор питает электронное устройство, электроны движутся по внешней цепи к положительному электроду. Между анодом и катодом находится электролит — химическая среда, обеспечивающая перенос заряженных частиц.

Я решил объединить литий и натрий сначала в так называемой полуячейке — экспериментальной системе, где используется один электрод, погруженный в электролит. Оказалось, что даже небольшое количество соли лития, добавленное в электролит, основу которого составлял натрий, радикально изменило поведение аккумулятора.

Емкость такой полуячейки оказалась примерно вдвое выше, чем у современных натрий-ионных аналогов. Более того, батарея сохраняла стабильную работу на протяжении тысячи циклов зарядки и разрядки даже при повышенных токах.

Цикл зарядки-разрядки — это полный процесс разрядки аккумулятора со 100 % до 0 % с последующей зарядкой обратно до 100 %. Именно количество таких циклов показывает, насколько долго батарея сохраняет свою емкость.

Для человека, который раньше наблюдал, как натрий-ионные аккумуляторы начинают заметно деградировать уже спустя несколько десятков циклов, эти результаты выглядели почти чудом.

Химический «танец» лития и натрия

За этим успехом скрывался удивительный химический процесс.

Ионы лития меньше по размеру, чем ионы натрия, поэтому они легче перемещаются внутри материала анода. Их движение словно прокладывает более удобные пути для ионов натрия, уменьшая так называемый диффузионный барьер — сопротивление, которое обычно замедляет работу натрий-ионных аккумуляторов.

Благодаря этому в анод может проникать больше ионов, а значит, батарея способна запасать больше энергии.

Не менее важно и то, что натрий препятствует «запиранию» лития внутри материала после разрядки. Постоянный обмен между двумя типами ионов делает химическую реакцию обратимой, благодаря чему аккумулятор одновременно получает большую емкость и значительно более длительный срок службы.

В этом своеобразном взаимодействии инь и ян ни один из элементов не доминирует — они работают сообща.

Шаг к экологически чистой энергетике

Испытания полуячейки — лишь первый этап на пути к практическому применению. Следующим шагом стало создание полноценной аккумуляторной ячейки с использованием смеси лития и натрия.

Одним из важнейших показателей аккумулятора является сохранение емкости — доля первоначальной энергии, которую батарея способна хранить после многократных циклов использования.

Наша экспериментальная батарея сохранила 70 % первоначальной емкости после 200 циклов зарядки и разрядки. Для сравнения, аналогичный аккумулятор только с натриевым электролитом начинал быстро терять характеристики уже примерно после 50 циклов.

Особенно важно, что основным переносчиком заряда в новой батарее по-прежнему остается натрий. Иными словами, это все еще натрий-ионный аккумулятор, лишь усиленный небольшим количеством лития.

Более дешевые и экологичные батареи

Это открытие может ускорить переход к экологически чистой энергетике, снизив зависимость от катодов, содержащих большое количество кобальта и никеля. Хотя такие материалы широко используются сегодня, они дороги, ограничены в поставках и вызывают серьезные экологические вопросы.

В нашей конструкции натрий остается главным рабочим элементом, а катод изготовлен из более экологичного сульфида железа.

Поскольку натрий и железо значительно более распространены, чем многие традиционные материалы для аккумуляторов, такая технология потенциально окажется дешевле и проще для массового производства.

При этом небольшое количество лития выполняет лишь роль своеобразного усилителя производительности, а не основного компонента. Благодаря этому аккумулятор становится одновременно более эффективным и менее зависимым от дорогостоящего критически важного сырья.

Кроме того, такая технология открывает новый путь для хранения энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками, в масштабах энергосетей, что поможет городам, предприятиям и целым странам перейти к более экологичной энергетике.

Работа только начинается

Несмотря на успех прототипа, впереди еще много работы.

Анод в нашей батарее был изготовлен из германия — дорогого материала. Следующая задача — заменить его более дешевыми аналогами.

Одним из наиболее перспективных кандидатов является кремний. Он способен обратимо накапливать как ионы лития, так и ионы натрия в процессе зарядки и разрядки, а также обеспечивает еще большую емкость аккумулятора.

Это позволит дополнительно увеличить плотность энергии батарей, в которых основную роль играет натрий.

Кроме того, предстоит подобрать катод, способный обеспечивать более высокое напряжение, чем используемый сейчас.

Я уже исследую другие перспективные сочетания различных ионов, например лития с магнием или калия с натрием. Одновременно мы экспериментируем с новыми составами электролитов.

Исследование нашей команды показывает, что, объединив преимущества лития и натрия по принципу инь и ян, можно создать аккумуляторы, которые будут одновременно высокоэффективными и экологически устойчивыми.

Это открывает перспективу мира, в котором телефоны, автомобили и даже национальные энергосети будут работать главным образом благодаря дешевым и широко распространенным ионам натрия, а небольшое количество лития будет лишь незаметно помогать им раскрыть весь свой потенциал», — говорится в обзоре, опубликованном «Japan Today» 27 мая сего года.