Самые значимые достижения 2020 года в разработке аккумуляторов

Уже через несколько лет традиционные литий-ионные батареи будут не актуальны с их нынешними характеристиками. В прошедшем году ученые предлагали самые разные способы улучшить аккумуляторы, сделав их мощнее, экономичнее и эффективнее.

Безопасный металлический литий

Один из самых перспективных новых материалов — металлический литий. Его использование в качестве анода может серьезно повысить плотность аккумулятора и продлить срок его службы. Но металлический литий небезопасен: при зарядке на аноде формируются наросты (дендриты), что ведет к коротким замыканиям и возгоранию — не очень привлекательная перспектива.

Изображение: WSU

Ученые из Вашингтонского государственного университета предложили добавить несколько химикатов в раствор катода и электролита. Благодаря этому на поверхности анода образовался защитный слой и анод смог оставаться стабильным при зарядке в течение 500 циклов. Плюс технологии — возможность ее интеграции в существующие производственные процессы.

Аккумулятор с ультразвуком

Весьма творчески подошли к решению проблемы с металлическим литием ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они разработали миниатюрное ультразвуковое устройство и включили его в литий-металлическую батарею. Устройство посылает высокочастотные звуковые волны через жидкий электролит, заставляя его плавно течь, а не оставаться в статике.

Изображение: UCSD Jacobs School of Engineering

Это, в свою очередь, приводит к равномерному распределению лития на аноде и дендриты не нарастают. При тестировании аккумулятор с новым оборудованием заряжался с 0 до 100% всего за 10 минут и продержался 250 циклов зарядки.

Самые быстрые электроды в мире

Специалисты французского стартапа Nawa Technologies решили изменить структуру электродов в обычных литий-ионных батареях — их мощность значительно увеличилась. Вместо беспорядочной структуры, требующей, чтобы заряженные ионы перемещались по лабиринту, разработчики предложили электрод, который состоит из вертикально выровненной структуры, напоминающей щетку для волос, с высокопроводящими углеродными нанотрубками.

Изображение: Nawa Technologies

По сути, это создает скоростную трассу для перемещающихся ионов и позволяет увеличить скорость заряда батареи в 10 раз — пополнение аккумулятора от 0 до 80% происходит всего за 5 минут. Срок службы вырастает в 5 раз, а плотность энергии увеличивается трехкратно.

Нанонити для увеличения емкости

Российские учёные из МИЭТ разработали нанонити, которые способны увеличить емкость батарей в 3 раза, а тепловые потери в процессе работы благодаря им можно обратить в электричество.

Изображение: МИЭТ

По замыслу ученых, нанонити из германия могут заменить графитовые электроды в современных батареях. Емкость их при этом повысится, а размеры не изменятся.

Кремниевый анод

Кремний может хранить в четыре раза больше ионов лития, чем современные графит и медь, но емкость батарей быстро уменьшается. Ученые из Кореи нашли метод этого избежать. Кремниевый анод поместили в специальный раствор, который заставляет электроны и ионы лития просачиваться в электрод — так компенсируются потери.

Обычно аноды на основе кремния теряют более 20% ионов лития во время зарядки, а новый анод потерял менее 1%. Также его плотность энергии на 25% выше, чем коммерчески доступные аналоги.

Натрий-ионные аккумуляторы из пластиковых бутылок

Еще один вид аккумуляторов с большим потенциалом — это натрий-ионные. Ученые из Университета Пердью использовали обычные пластиковые отходы для создания ключевого компонента такой батареи.

Для превращения пластика в хлопья они применили стандартную микроволновую технологию, обработав его сверхбыстрым микроволновым излучением. В результате ученые получили терефталат натрия, известный своими хорошими электрохимическими характеристиками и пригодный для производства натрий-ионной батареи.

Электроды из панцирей креветок

Хитин, содержащийся в панцирях креветок, в Массачусетском технологического институте использовали для производства экологически безопасного электрода для проточной батареи. Вместо того, чтобы хранить энергию внутри самого аккумулятора, такие батареи хранят энергию в жидких электролитах в огромных внешних резервуарах, которые при необходимости можно просто увеличить.

Ученые решили сделать ключевой строительный блок этих батарей из экологически чистых материалов. Для производства электродов для проточной батареи они взяли хитин из панцирей креветок в сочетании с войлоком. Кроме высоких показателей удельной мощности такой батареи, у нее есть еще преимущество — низкая стоимость исходного материала.

Самый прочный электролит в мире

Еще один пример твердотельной батареи с впечатляющей долговечностью — изобретение исследователей из Университета Брауна. Они утверждают, что, добавив графен в керамический материал, сделали самый прочный твердый электролит на свете.

Что любопытно, графен обладает высокой проводимостью, а это как раз нежелательно для электролита батареи. Но, поддерживая концентрацию графена на достаточно низком уровне, ученые смогли найти золотую середину, которая не позволяла графену проводить электричество, но при этом обладала высочайшей прочностью.

Жидкометаллическая батарея, работающая при комнатной температуре

Обычно в жидкометаллических аккумуляторах металлы нужно нагревать до температуры не менее 240 °C. Но экспериментальная полностью жидкометаллическая батарея способна работать при комнатной температуре и по характеристикам гораздо лучше литий-ионных аккумуляторов.

Изображение: University of Texas at Austin

В ней ученые из Техасского университета в Остине использовали сплавы, способные оставаться жидкими при комнатной температуре. Такая батарея имеет более высокую мощность, чем литий-ионная, и гораздо быстрее заряжается.

Новое покрытие для старой батареи

В Аргоннской Национальной Лаборатории нашли способ продлить срок службы привычных литий-ионных аккумуляторов — для этого использовали инновационное катодное покрытие из полимера PEDOT. 

Изображение: Argonne National Laboratory

Благодаря такому покрытию традиционные аккумуляторы становятся безопаснее, так как не образуется нежелательная пленка на катоде. При этом , срок их службы продлевается, так как повышается рабочее напряжение.

Источник

admin
Оцените автора
Добавить комментарий