Двухкатионная батарея: удвоение емкости через симбиоз лития и натрия

Исследователи Университета Лимерика (Ирландия) представили первую в мире полноячеечную двухкатионную батарею, которая одновременно использует ионы лития и натрия для хранения энергии. Технология удваивает емкость по сравнению с традиционными натрий-ионными решениями, достигая 150 мАч/г, и сохраняет работоспособность более 1000 циклов зарядки даже при экстремальных температурах до -60°C.

Техническая архитектура

Разработка команды профессора Хью Джини и доктора Сайеда Абдула Ахада из Bernal Institute базируется на принципе синергии двух типов катионов. Литий выступает катализатором емкости в системе, где натрий остается доминирующим элементом, обеспечивая экономическую целесообразность производства. В процессе зарядки и разрядки ионы обоих металлов работают тандемом, что позволяет избежать характерных для моно-катионных систем ограничений по плотности энергии.

Исследование опубликовано в журнале Nano Energy и поддержано Government of Ireland Postdoctoral Fellowship и программой Research Ireland Frontiers for the Future. Команда использовала анодные материалы с проектной высокой емкостью для натрий-ионных батарей, которые ранее не тестировались в двухкатионной конфигурации.

Мы впервые показали, что натрий-ионные батареи можно "суперзарядить", комбинируя натрий и литий в натрий-доминантном двухкатионном электролите. Это подход не только улучшает плотность энергии, критичную для увеличения запаса хода электромобилей, но и повышает безопасность.— Профессор Хью Джини, Университет Лимерика

Бизнес-потенциал технологии

Рынок натрий-ионных батарей демонстрирует экспоненциальный рост: по прогнозам MarketsandMarkets, объем рынка вырастет с $0,67 млрд в 2025 году до $2,01 млрд к 2030 году при среднегодовом темпе роста 24,7%. Persistence Market Research прогнозирует еще более агрессивный рост — до $2,98 млрд к 2032 году при CAGR 22,5%. Глобальные производственные мощности натрий-ионных батарей превысят 100 ГВт/ч уже в 2025 году.

Двухкатионная технология UL открывает новые рыночные ниши для натрий-ионных решений, приближая их характеристики к литий-железо-фосфатным (LiFePO4) батареям. Традиционно натрий-ионные системы достигают удельной энергии около 150 Вт·ч/кг, что ограничивало их применение короткодистанционными электромобилями и стационарным хранением энергии. Новая технология может расширить эту нишу на средне-дистанционный транспорт и портативную электронику.

Стратегические преимущества

Ключевое отличие двухкатионной системы — работоспособность при экстремально низких температурах. Стандартные литий-ионные батареи теряют до 40% емкости при -20°C, что критично для северных регионов и аэрокосмических применений. Способность новой технологии функционировать при -60°C открывает рынки арктической логистики, оборонной техники и исследовательского оборудования.

Университет Лимерика располагает значительной исследовательской инфраструктурой в области батарейных технологий: более 30 активных исследователей в кластере батарей и многопрофильный центр Ampeire для исследования батарейных и энергетических материалов, запущенный в Bernal Institute. Центр софинансируется Science Foundation Ireland и Sustainable Energy Authority of Ireland.

Траектория развития

Команда планирует расширить исследование на новые материальные комбинации и ионные системы, включая кремниевые аноды и альтернативные пары катионов — литий-магний и калий-литий. Кремниевые аноды теоретически обеспечивают емкость до 4200 мАч/г против 372 мАч/г у графита, что может утроить энергоемкость батарей при сохранении двухкатионной архитектуры.

Интеграция различных катионных пар позволит оптимизировать батареи под конкретные применения: магний обеспечивает высокую объемную емкость для портативной электроники, калий — быструю зарядку для электротранспорта. Такая модульность создает основу для персонализированных энергетических решений в эпоху растущих требований к автономности устройств.

Выводы для индустрии

Прорыв UL демонстрирует смещение фокуса батарейной индустрии от поиска единого "идеального" химического состава к гибридным мультикатионным системам. Это особенно актуально в контексте растущего спроса на энергохранение со стороны ИИ-дата-центров: согласно прогнозам, к 2035 году потребность достигнет 100+ ГВт.

Технология предлагает путь к снижению стоимости киловатт-часа накопленной энергии — ключевого барьера для массового внедрения электротранспорта и возобновляемой энергетики. Сокращение использования кобальта и лития при сохранении характеристик делает решение привлекательным для производителей в условиях волатильности цен на сырье и ужесточения экологических стандартов.