Натрий батарейкаларынын негизин түзүү үчүн Индия, Австралия жана Улуу Британиянын изилдөөчүлөрү физиканын 270 жыл мурда аныкталган тарыхый  кубулушун заманбап материалдык инженерия менен айкалыштыра алышты.  

Келечекте батарейкалардын жаңы тибин жаратуунун максаты – алардын узак мөөнөт кызмат кылышына жана таза энергияга жетишүү. 

 

Бул биргелешкен изилдөөнү Индия илимий  билим жана изилдөө институту (IISER Bhopal), Гандхинагардагы Индия технология институту (IITGN), Улуу Британиядагы Суонси (Swansea University) жана Австралиядагы Түштүк Квинсленд (University of Southern Queensland) университтеринин  илимпоздор тобу жүргүзгөн. 

Изилдөөнүн жыйынтыктарын Гандхинагардагы Индия технология институту (IITGN) жарыялады. 

 

Лейденфрост эффекти

 

Германиялык физик жана теолог илимпоз Йоханн Готтлоб Лейденфрост (Johann Gottlob Leidenfrost, 1715-1794) мындан 270  жыл мурун же 1756-жылы ысык металл беттеринде суу тамчыларынын өзгөчө жүрүм-турумун байкаган. 

“Кадимки суунун айрым касиеттери жөнүндө трактат”  аттуу эмгегинде ал суунун катуу ысыган металл беттериндеги  кубулушун сүрөттөгөн. 

Илимде Лейденфрост эффекти деп аталып калган  бул физикалык  көрүнүш боюнча суюк зат анын кайноо температурасынан кыйла ысык болгон катуу объектинин бетине  жакындаганда, изоляциялоочу буу катмары пайда болуп, суюктуктун тез кайнап кетишин токтотот.

Эки жарым кылымдан ашуун  мурда  аныкталган бул физикалык  кубулуш эми бул кылымда туруктуу энергия сактоочу системаларды иштеп чыгууга кантип таасир этиши мүмкүн? 

Биргелешкен изилдөөнүн  авторлору Лейденфрост эффектиси туруктуу жана узак мөөнөт кызмат кылуучу жаңы батарейкаларды түзүүгө кантип жардам бере аларын Small деп аталган илимий журналда жакында жарыяланган макаласында түшүндүрүшкөн.

 

Литий-иондун ордуна  натрий-ионго өтүү 

 

Дүйнө азыр  энергиянын кайра жаралуучу булактарына ыктаган сайын, буга чейинкиден жакшыраак батареякаларга болгон суроо-талап да өсүп жатат. 

“Литий-иондук батарейкалар азыр бардык нерсени: биздин смартфондордон тартып электр унааларына чейин иштетет. Бирок литий салыштырмалуу сейрек кездешет жана аны казып алуу кымбат. 

Андыктан экологиялык жактан таза жана үнөмдүү альтернатива керек”, – дейт изилдөөнүн улук автору, Индиянын илимий  билим жана изилдөө институтунун (IISER Bhopal) доценти Рохит Ранганатан Гаддам (Rohit Ranganathan Gaddam). Доктор Гаддам ушул эле  институтта Таза энергия боюнча изилдөө тобун да жетектейт. 

Литийдин ордуна колдонулушу мүмкүн элемент катары көптөн бери эле натрий каралып келет. Натрий деңиз суусунда, тузда жана ал тургай адамдын кан айлануу системасында да кездешкен жана кеңири таралган элемент болгондуктан, аны табуу оңой жана арзан да турат. 

Андыктан, натрий-иондук батареякалар – айрыкча кайра жаралуучу энергия үчүн – ири масштабдагы энергия сактоо системаларына ылайыктуу деп эсептелет.

Бирок, натрий иондорунун салыштырмалуу чоң болушу олуттуу тоскоолдук жаратат. Оорураак иондор батарейканын оң уюлу – катодду акырындап бөгөп, эскиртет. 

Катод –  батарейканын энергия сактоочу бөлүгү.

Натрий батарейкасы жакшы иштеши үчүн анын катоддунда колдонулган материал натрий иондорунун бат жана кайра-кайра кыймылдашына мүмкүндүк берип, ошол эле учурда түзүмүн бузбай сактап турушу керек. 

Бул үчүн изилдөөчүлөр үмүт арткан бир нече материал бар, бирок алардын көбү ылдамдык, туруктуулук же узак мөөнөттүү чыдамдуулук жагынан талаптарга жооп бербейт. 

“Биз натрий иондору ылдам өтө алышы үчүн туура катоддук түзүлүштү – атомдук “жолду” түзүүнү чечтик”,- деп кошумчалады изилдөөнүн дагы бир автору, Индиянын илимий  билим жана изилдөө институтунун (IISER Bhopal) PhD докторанты Субхажит Сингха (Subhajit Singha). 

Лейденфрост эффектисин  колдонуу 

 

Гандхинагардагы Индия технология институтунун (IITGN) маалыматында жазылгандай,  изилдөө тобу Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇) кошулмасын колдонду.

Бул темирге негизделген фосфат-пирофосфат аралашмасы жана табигый түрдө туруктуу 3D туннелге окшош түзүлүштү пайда кылат. 

Таза темир негизиндеги катод материалдарынын өткөрүмдүүлүк жана энергия жагынан кемчиликтерин эске алып, изилдөөчүлөр аралашмага индийдин аз гана бөлүгүн кошуп көрүү боюнча эксперимент жүргүзүштү.

Байкоолор көрсөткөндөй, темир атомдорунун болгону 1%ын индий менен алмаштырганда, потенциалдуу катод материалынын ичиндеги атомдордун ортосундагы аралык көбөйгөн, бирок анын негизги түзүлүшү өзгөргөн эмес. 

Бул натрий иондорунун кыйла жеңилирээк өтүшүнө мүмкүндүк берип, катод материалынын электрондук өткөрүмдүүлүгүн жакшырткан. 

Өз кезегинде бул көрүнүш – жогорку натыйжалуу батарейкалардын негизги өзгөчөлүктөрүнүн бири. 

Катод материалын жасоо рецепти боюнча өзгөртүүлөрдөн тышкары, изилдөө тобу анын өндүрүш процессинде да жаңы ыкманы колдонду. 

“Биз катод материалдарын азыркы базардагы стандарттардан узак жана тез иштей турган кылып түзүү үчүн Лейденфрост эффектинин негиздерине таяндык”,- дейт доктор Гаддам.

Илимпоздор химиялык аралашманы  ысыктыгы жетиштүү болгон металл бетине чачышты, бул өз кезегинде Лейденфрост эффектин жаратууга шарт түздү. 

Тамчылар ысык плиткага тийгенде дароо бууланып, тешиктүү бөлүкчөлөргө бириккен жана порошокко бышырылган. 

Бул тез жана экологиялык таза ыкма көп энергия керектелген мештерди колдонбостон, электролитти сиңирген губкадай данчаларды жаратып, натрийдин кыймылын жеңилдетет.

 

Өркүндөтүлгөн өлчөөлөр жана эсептөөгө негизделген моделдер атомдук деңгээлдеги кайра түзүлүштөр жөнүндө да түшүнүк берди. 

Натыйжалар көрсөткөндөй, индий атомдук түзүлүштү назик өзгөртүп, ион жолдорун кеңейтет, энергия тоскоолдуктарын төмөндөтөт, өткөрүмдүүлүктү жакшыртат жана потенциалдуу катод материалынын кристалл түзүлүшүн миңдеген циклдер бою сактап калат.

“Оптималдаштырылган катод материалы ~359 Вт/саат/кг (ватт-саат килограммга) энергия тыгыздыгын жана 10 000ден ашуун заряддоо-разряддоо цикли бою туруктуу иштөө менен өзгөчө бышыктыкты көрсөттү”, – деди доктор Рагаван Ранганатан (Raghavan Ranganathan), изилдөөнүн кошумча автору жана Гандхинагардагы Индия технология институтунун (IITGN) Материалдык инженерия кафедрасынын доценти.

Салыштырма маалымат катары келтирсек, азыр телефондор менен ноутбуктардын  батарейкаларынын көпчүлүгү бир нече жүз циклге гана чыдайт. 

Изилдөө  тобунун пикиринде, алар жасаган катод материалы кайра жаралуучу булактардан өндүрүлгөн энергияны узак мөөнөт  иштөө талап кылынган системаларда сактоо үчүн идеалдуу болот. 

 

Инновациянын дүйнө үчүн пайдасы 

 

Гандхинагардагы Индия технология институту (IITGN) белгилегендей, 2030-жылга карата Индия өзү  кайра жаралуучу булактан  алынган энергияны 500 гигаватт көлөмгө (ГВт) жеткирүүнү максат кылууда. 

Андыктан, жаңы катодду колдонгон натрий-иондук батарейкалардын масштабдуу, өнөр жайлык сыноодон өткөн нускалары  Индия үчүн алдыда күн жана шамал энергиясын өчүрүүлөрсүз колдонууга мүмкүнчүлүк жараткан жана  токту арзан  сактоо системасын бериши мүмкүн.

“Биздин изилдөөбүз көрсөткөндөй, атомдук деңгээлдеги стратегиялык өзгөртүүлөр жөнөкөй жана кеңири масштабда колдонууга мүмкүн болгон синтездөө ыкмасы менен айкалышканда, натрий-иондук батарейкалардын катоддору үчүн мурда жеткиликсиз болуп келген өндүрүмдүүлүк деңгээлин ачып бере алат”, – деди изилдөөнүн  улук автору, доктор Рохит Ранганатан Гаддам (Rohit Ranganathan Gaddam).

Азыр жашыл энергия боюнча улуттук программалар дээрлик ар бир өлкөдө бар. 

Жогорудагы изилдөө БУУнун Туруктуу өнүгүү максаттарына да шайкеш келет.  

Изилдөө практикалык натыйжа  берген шартта, дүйнөдө литийге болгон көз карандылыкты азайтууга, адилеттүү камсыздоо чынжырларын түзүүгө жана жашыл энергияны арзан сактоого жол ачат.

“Бул ар кайсы институттар менен континенттерден келген эксперименталдык жана эсептөөгө негизделген тажрыйбалардын биригиши Лейденфрост эффекти сыяктуу тарыхый кубулуштар туруктуу инновациялардын заманбап борборлорунун жаралышына түрткү бере аларын көрсөтөт”,- дейт изилдөөнүн дагы бир автору,  доктор  Рагаван Ранганатан (Raghavan Ranganathan). 

 

Илимий  терминдерге  түшүндүрмө: 

 

Литий (Li)  – эң жеңил жана абдан реактивдүү, күмүш  өңдүү металл. Ал эң аз тыгыздыкка жана төмөнкү эрүү температурасына ээ. 

Жогорку электрохимиялык өткөргүчтүгү аркасында литий-иондук батарейкаларды, электр унааларын жана сактагычтарды чыгарууда негизги чийки зат болуп калды.

Литийди  1817-жылы швед химиги Йоханн Арфведсон (Johann Arfvedson) петаолит минералынан ачкан. 

 

Натрий (Na) – жумшак, күмүш  түстүү жана реакцияга өтө жөндөмдүү металл. Табиятта эркин түрүндө  кездешпегендиктен натрийди кошундулардан алуу керек. 

Жер кыртышында эң көп таралган элементтердин ичинен натрий алтынчы орунда турат. 

Натрийди биринчи жолу 1807-жылы британ химиги Хамфри Дэви (Humphry Davy, 1778 –1829) натрий гидроксидин электролиздөө жолу менен алган. 

Натрийдин химиялык белгиси биринчи жолу  1814-жылы швед химиги Йёнс Якоб Берцелиус (Jöns Jakob Berzelius, 1779–1848)  тарабынан анын атомдук белгилер системасында жарыяланган.

 

Ион – электр зарядына ээ атом же молекула. Электр заряды атом/молекула бир же бир нече электронду жоготкон (катион) же алган (анион) учурда пайда болот. 

Оң зарядга ээ катиондор катодго, ал эми терс зарядга ээ аниондор анодго жылышат. 

Иондор химиялык байланыштарда, организмдеги электролиттерде жана электрдик кубулуштарда маанилүү роль ойношот.

 

Индий (In) – Күмүштөй ак түстөгү металл жана эң жумшак элементтердин бири. 

Индий негизинен жалпак панелдүү дисплейлерди өндүрүүдө колдонулат, ал жерде индий-тин оксиди (ITO) тунук жана өткөргүч каптоо катары айнекке колдонулат. 

Ал ошондой эле жарым өткөргүч тармагында, төмөн эриген металл кошулмаларында жана жумшак металдан жасалган жогорку вакуумдуу тыгыздоочу буюмдарда колдонулат.

Индийди биринчи жолу 1863-жылы немец химиктери Фердинанд Рейх (Ferdinand Reich, 1799- 1882) жана Иероним Теодор Рихтер (Hieronymous Theodor Richter,1824-1898)  спектроскопиялык ыкма менен ачышкан. 

 

Шилтемелер:

1. Маалымат макала Гандхинагардагы Индия технология институтунун https://news.iitgn.ac.in/how-a-270-year-old-physics-trick-could-supercharge-affordable-battery-technology/  материалынын негизинде жазылды. 
2. Маалымат макалага негиз болгон изилдөө Small журналында https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.2025114 жарыяланган. 
3. Башкы сүрөт unsplash.com сайтынан алынды, автору Vardan Papikyan
4. Илимий терминдерге түшүндүрмөнү Эл Илим коомдук фонду даярдады.