Китайские ученые из Шанхайского университета Цзяо Тун представили натриево-серную батарею с плотностью энергии более 2000 ватт-часов на килограмм и ценой всего 5 долларов за один кВт·ч. Для сравнения: обычные литий-ионные аккумуляторы выдают 100–300 ватт-часов и стоят 80-120 долларов за один кВт·ч. Разница в цене, что называется, на лицо. Прототип выдержал 1400 циклов зарядки и после года хранения сохранил 95% емкости.

Главная хитрость в том, как теперь работает сера в батарее. В старых серных аккумуляторах она забирала электроны — из-за этого шли лишние химические реакции, и батарея быстро начинала деградировать. Китайцы всё перевернули: теперь сера отдаёт электроны и реагирует с хлором. Ионы натрия оседают на алюминиевом аноде, и реакция идёт стабильно.

В конструкции использованы серный катод, обычная алюминиевая фольга в роли анода, электролит из солей натрия, хлорида алюминия и хлора, пористый углеродный слой для удержания активных веществ и стекловолоконный сепаратор против короткого замыкания. Все материалы дешевые и доступные — никаких редких металлов.

Натриево-серные батареи — не новинка. Их придумали еще в 1960-х, когда Ford тестировал их для электромобилей. В 1980-х японцы начали использовать такие аккумуляторы для энергосетей. Но была проблема: они работали только при температуре 300–350 градусов Цельсия. Это делало их опасными, громоздкими и непрактичными для повседневного использования.

Главный недостаток старых батарей — образование полисульфидов (соединений серы), которые растворялись в электролите и разрушали систему. Плюс высокая температура означала риск перегрева, коррозию и необходимость в сложной теплоизоляции. Поэтому технология застряла в нише стационарного хранения энергии и не пошла дальше.

Китайские исследователи решили эти проблемы через новую химическую схему. Это позволило батарее работать при комнатной температуре без избытка натрия. Специальный хлоралюминатный электролит не воспламеняется и образует защитную пленку на электродах. Сера теперь превращается в стабильные хлориды, а не в агрессивные полисульфиды.

Добавление катализатора Bi-COF (органического соединения на основе висмута) увеличило плотность энергии до рекордных 2021 ватт-часа на килограмм в лабораторных условиях. Защитные слои из пористого углерода и стекловолокна предотвращают короткие замыкания и удерживают активные вещества на месте даже после сотен циклов.

Натриево-серная батарея экологичнее литий-ионной. Натрий — шестой по распространенности элемент на Земле, его добывают из морской соли. Сера — побочный продукт нефтепереработки, которого полно на любом НПЗ. Алюминий тоже дешев и доступен. Никакого кобальта, лития или других редких металлов, добыча которых разрушает экосистемы в Африке и Южной Америке.

Производство относительно простое. Технология похожа на изготовление литий-ионных батарей: нанесение слоев активных материалов, сборка электродов, заливка электролита и герметизация. Не требуется экзотическое оборудование или сверхвысокие температуры. Основной вызов — обеспечить стабильность серы и защитных покрытий при масштабировании. Но лабораторные тесты показывают, что технология готова к пилотному производству.

Переработка отслуживших своей батарей проще, чем у литиевых аккумуляторов. Сера и натрий — неорганические вещества без токсичных соединений тяжелых металлов. Правда, серные соединения при неправильной утилизации могут выделять вредные газы, но это контролируется стандартными методами.

Может ли эта батарея решить проблемы электромобилей? Частично — да. Пять долларов за киловатт-час — это отличная цена. Дешевизна означает доступные электрокары для массового рынка.

Безопасность — еще один плюс. Негорючий электролит снижает риск возгораний, которые преследуют литиевые батареи. Высокая плотность энергии теоретически дает большой запас хода. А стабильность при морозах (натриево-серные батареи работают при комнатной температуре) решает проблему зимней эксплуатации.

Но есть нюансы. Все данные получены в лабораторных условиях. Серийные образцы могут показать другие характеристики. Пока не ясно, как батарея поведет себя при резких разрядах и зарядах, которые типичны для электромобилей. Она не заменит топовые литиевые аккумуляторы с их быстрой зарядкой и высокой мощностью, но сделает электрокары доступнее для среднего класса. Особенно в странах, где цена — главный барьер.