Натрий-ионные аккумуляторы: плюсы и ограничения технологии

Как работает натрий-ионный аккумулятор

Функциональная схема натрий-ионной батареи ничем не отличается от других: это катод и анод, погруженные в электролит. При заряде батареи ионы натрия (Na+) «отрываются» от положительного электрода (анода) и внедряются в матрицу отрицательного электрода (катода). В ходе разряда батареи происходит обратный процесс, сопровождающийся высвобождением энергии. Электролит выполняет функцию проводника ионов. При заряде его состав восстанавливается, а при разряде — окисляется.

В качестве материала для катода в натрий-ионных батареях зачастую используются слоистые оксиды переходных металлов (Mn, Ti, V, Co, Cr, Fe, Ni). По данным ряда исследований, наибольшая емкость наблюдается у NaMnO2.

Аноды в натрий-ионных аккумуляторах делают из углеродных наноматериалов. Также иногда используются оксиды олова, их композиты с углеродом или диоксид титана.

Электролит зачастую представляет собой раствор соли натрия (например, перхлората натрия NaClO₄) в апротонном растворителе (пропиленкарбонате). Такие составы обеспечивают высокую ионную проводимость, термическую стабильность и широкое электрохимическое окно.  Последний показатель характеризует устойчивость электролита к разложению в ходе ионного обмена.

Плюсы и минусы натрий-ионных батарей

Ключевые особенности натрий-ионных батарей обусловлены свойствами ионов натрия, которые примерно на 25% крупнее ионов лития. Это приводит к более медленной миграции ионов между электродами, что сказывается на скорости электрохимических реакций.

Плюсы натрий-ионных аккумуляторов: 

• Более медленный разряд.
• Повышенная безопасность: меньшая скорость электрохимических реакций снижает риск резкого перегрева и взрыва.
• Долговечность: электролит дольше сохраняет свои свойства.
• Морозостойкость. Ионы натрия хуже взаимодействуют с растворителем в составе электролита, а значит — скорость их десольватации выше, чем у ионов лития. Это позволяет им сохранять нормальную степень подвижности в растворе при снижении температуры (когда все химические реакции естественным образом замедляются). Благодаря этому натрий-ионный аккумулятор лучше переносит мороз.

Минусы натрий-ионных аккумуляторов: 

• Меньшая плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями из-за более крупных и «медленных» ионов. Фактически это означает меньшую по сравнению с литиевыми АКБ емкость. Однако стоит отметить, что в сравнении со свинцово-кислотными аккумуляторами натрий-ионные выигрывают по плотности энергии в 4 раза.
• Более медленная зарядка по сравнению с литий-ионными батареями. Это сдерживает широкое применение таких АКБ в смартфонах, где скорость зарядки критически важна.

Первый ИБП на натрии в России

В этом контексте выглядит вполне логичным, что первый на российском рынке коммерческий продукт на натрий-ионных батареях — ИБП Ippon Na+ RTA 1000 — предназначен в первую очередь для корпоративного использования в серверных и ЦОДах. При таком режиме работы особенно важны долговечность батарей, их стойкость к перегреву и медленная разрядка в случае отключения электричества. Поскольку ИБП почти все время подключен к сети и работает в режиме инвертора, более долгая по сравнению с литий-ионными батареями зарядка не является минусом. Кроме того, для мобильных ЦОД в регионах с холодным климатом крайне важно, что ИБП на натриевых АКБ сохраняют повышенную емкость при минусовых температурах.

Форм-фактор Ippon Na+ RTA 1000 адаптирован под 19-дюймовую серверную стойку, однако ИБП можно устанавливать и вертикально — для этого в комплекте идут пластиковые подставки и вращающийся дисплей, который можно развернуть на 180 градусов, сняв переднюю панель. К слову, она не прикручена, легко вытаскивается и вставляется обратно.

ИБП мощностью 1000 ВА/1000 Вт (коэффициент мощности 1.0) имеет 8 защищенных розеток формата IEC.

Ippon Na+ RTA 1000 выдает чистую синусоиду выходного напряжения (плавную и непрерывную волну тока) как в магистральной электросети, что обеспечивает безопасность электропитания даже самых чувствительных приборов.

Среди дополнительных функций устройства интересно наличие интеллектуального слота (для удаленного управления по протоколу SNMP), разъёма аварийного отключения EPO, а также портов USB и RS-232 для подключения к компьютеру.

Ippon Na+ RTA 1000 оснащен тремя натрий-ионными аккумуляторами емкостью по 4,8 Ач каждый. Время их полного заряда — 1 час, а заявленное производителем время автономной работы зависит от нагрузки: 21,5 мин. при 30% нагрузки, 11,5 мин. при 50%, 7 мин. при 70% и 4,5 мин. при 100% нагрузке.

Мы проверили автономную работу Ippon Na+ RTA 1000 в условиях комнатной температуры при 35-процентной нагрузке (системный блок 300 Вт + ЖК-монитор 45 Вт). ИБП достойно продержался 19 минут, после мы снова подключили его к сети. Все индикаторы устройства загорались вовремя, а техника чувствовала себя отлично.

Выводы

Натрий-ионные АКБ обладают рядом преимуществ перед литий-ионными, особенно в условиях низких температур. По сравнению со свинцово-кислотными они демонстрируют значительно более высокую эффективность.  

С уверенностью можно сказать, что высокие требования к надежности ИБП продолжат стимулировать дальнейшее развитие этой технологии.