Один из самых эффективных способов улучшения работы современных литиевых батарей - замена жидких компонентов на твердые. Устройства, получаемые в результате, называются твердотельными аккумуляторами. Пока они существуют только в виде экспериментальных образцов. Но, по словам ученых, они могут значительно продлить срок службы электромобилей и мобильных устройств за счет увеличения плотности энергии внутри аккумулятора. Ученые Массачусетского технологического института (MIT) сообщают, что добились важного прогресса на этом пути. Им удалось создать новый тип архитектуры твердотельных батарей, который лишен недостатков существующих конструкций.
Проблемы современных батарей
В обычной литиевой батарее средой, через которую ионы лития путешествуют между анодом и катодом, служит жидкий электролит. Одна из главных проблем заключается в том, что эта жидкость очень взрывоопасна и иногда может приводить к возгоранию аккумуляторов. Пару лет назад мы могли наблюдать подобное со смартфоном Samsung Galaxy Note 7.
Замена жидкого электролита на твердый материал сделает батареи более безопасными, а также позволит более эффективно подходить к другим ключевым компонентам батареи. Например, анод в современных литиевых батареях изготовлен из смеси меди и графита. Если бы он был сделан из чистого лития, это позволило бы значительно повысить плотность хранимой энергии. Но тут возникает новая проблема.
Когда вы заряжаете аккумулятор, литиевый анод расширяется физически, и наоборот, уменьшается в объеме при потреблении энергии. Если использовать твердый электролит, то в процессе сжатия и расширения анод может потерять контакт с ним, и батарея просто выйдет из строя.
Новая архитектура
Новая архитектура, предложенная учеными MIT, решает эту проблему. Она предполагает использование особых материалов, называемых смешанными ионно-электронными проводниками (MIEC) и электронных и литий-ионных изоляторов (ELI). Материалы выстраиваются в сложную трехмерную конструкцию из массива нанотрубок. Нанотрубки буквально “начиняют” твердым литием, создавая, таким образом, нечто вроде распределенного губкообразного анода. При этом литий сохраняет возможность расширяться и сужаться, но не теряет контакта с материалом, выполняющим роль электролита. Вся система работает не хуже традиционного жидкостного аккумулятора, но в течение всего процесса сохраняет твердую кристаллическую структуру.
Первые тесты показали, что новая архитектура выдерживает 100 циклов зарядки и разрядки без малейших признаков деградации. Уже это - потрясающий результат. Но это еще не все.
Твердотельная архитектура позволяет уменьшать размер аккумуляторов, не опасаясь того, что они будут взрываться от любого удара. По словам ученых, они могут изготовить твердотельную батарею, которая будет иметь такую же емкость, как жидкостная, но при этом будет в четыре раза меньше. При сохранении размера такой аккумулятор будет иметь гораздо большую емкость. Среднестатистический смартфон с ним вам придется заряжать всего пару раз в неделю даже при очень интенсивном использовании.
Пока у ученых имеются только небольшие лабораторные прототипы, по словам Джу Ли, профессора ядерной энергетики MIT, технологию можно быстро и дешево масштабировать.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Energy.
Если хотите получать новости через мессенджер, подписывайтесь на новый Telegram-канал iGate
