Современные литий-ионные батареи достигли пика своего развития. Одновременно с этим, они являются “бутылочным горлышком” современных технологий. Они недостаточно вместительны, чтобы обеспечивать длительную автономность нашим гаджетам и роботам, но и улучшать их уже практически некуда. Человечество нуждается в прорыве, принципиально новой технологии, которая подарит нам совершенно новые батареи. И, к счастью, такие технологии уже разрабатываются. Вот несколько наиболее интересных прорывов в области батарей, которые были сделаны в 2021 году.
Мгновенная зарядка
Ученые совершили прорыв, который может привести к созданию батарей, которые заряжаются практически мгновенно.
Для повышения скорости зарядки батарей ученые предлагают использовать пористые структур для анода, одного из двух его электродов. Это обеспечивает большую площадь контакта с жидким электролитом, который транспортирует ионы лития, и позволяет им легче диффундировать через материал, что потенциально делает процесс зарядки батареи намного более быстрым.
В ноябре ученые из Университета Твенте создали анод из материала, называемого ниобатом никеля. Он имел «открытую и правильную» кристаллическую структуру с идентичными повторяющимися каналами, что делало его идеальным для переноса ионов.
Экспериментальный анод встроили в аккумулятор, и оказалось, что тот получил способность заряжаться в 10 раз быстрее современных литий-ионных батарей. Также исследователи отмечают, что ниобат никеля имеет более высокую объемную плотность, чем графит, используемый для современных анодов, что также может привести к созданию батарей, которые легче и компактнее современных.
Оживление мертвого лития
Когда батарея заряжается и разряжается, ионы лития перемещаются назад и вперед между двумя электродами, но не все они совершают это путешествие успешно. С каждым циклом часть ионов теряется. Они образуют электрохимически неактивные «островки» лития внутри аккумулятора. Эти «островки» остаются отсоединенными от электродов. Они вызывают постепенное снижение емкости устройства, а иногда приводят к замыканию и воспламенению.
Ученые из Стэнфордского университета придумали способ, позволяющий не просто нейтрализовать эти скопления мертвого лития, но и вернуть их к жизни, продлив работу батареи. Команда обнаружила, что высокого напряжение во время подзарядки заставляет этот неактивный литий двигаться и повторно соединяться с электродом. Это увеличивает срок службы батареи на 30 процентов.
По мнению команды, этот прорыв может привести к улучшению конструкций быстрозарядных батарей или перезаряжаемых батарей с большей емкостью и продолжительностью жизни.
Стоит также отметить, что проблема мертвых литиевых островов является серьезной проблемой для литий-металлических батарей следующего поколения, которые могут удерживать до 10 раз больше энергии. Потому прорыв может привести к новым решениям, открывающим эту многообещающую архитектуру.
Батарейный бутерброд
Одна из причин, по которой ученые видят большой потенциал в литий-металлических батареях, заключается в том, что литий-металл имеет гораздо более высокую емкость и плотность энергии, чем графит и медь, используемые для анодов в современных батареях. Гарвардский материаловед Синь Ли считает этот материал «священным Граалем аккумуляторов». В мае он представил новую батарею в виде бутерброда, которая позволяет преодолеть некоторые проблемы стабильности литий-металлических конструкций.
Эти проблемы стабильности возникают из-за иглоподобных выступов, называемых дендритами. Дендриты образуются на литий-металлическом аноде во время зарядки, что приводит к снижению производительности батареи, так что она выходит из строя или даже загорается. Ли и его коллеги попытались решить эту проблему, поменяв жидкий электролит батареи на пару твердых слоев. Эта конструкция позволяет контролировать и сдерживать дендриты по мере их образования.
Кроме того, батарея-бутерброд способна заполнять зазоры, создаваемые дендритами. В ходе тестирования команда обнаружила, что аккумулятор сохраняет 82% емкости после 10 000 циклов. Что еще интереснее, плотность тока позволяет электромобилям заряжаться за 20 минут.
Природные материалы
В октябре командой ученых из США представила еще одно интересное решение проблемы литий-металлических батарей. Они также обратились к твердому электролиту, но в его конструкции использовали целлюлозные нанофибриллы, полученные из древесины.
Эти микроскопические полимерные трубки были объединены с медью, что позволило создать твердый ионный проводник, имеющий крошечные отверстия между полимерными цепями, действующими как «ионные сверхмагистрали», позволяя ионам лития перемещаться с рекордной эффективностью. Такой материал имеет проводимость в 10-100 раз большую, чем другие полимерные ионные проводники.
Поскольку полученный твердый электролит тонкий и гибкий, он лучше выдерживает высокое напряжение при зарядке и сохраняет эффективность после множества циклов.
Новый подход к старому дизайну
Аккумуляторы на базе щелочных металлов и хлора существуют с 1970-х годов. Они предлагают высокую плотность энергии, но хлор высокореактивен. Это означает, что аккумуляторы выходят из строя после одного использования. По сути, это не аккумуляторы, а простые батарейки. Но в августе ученые Стэнфордского университета придумали, как стабилизировать реакции хлора и сделать одноразовые батареи многоразовыми.
Для этого они использовали раствор из нового электродного материала, изготовленного из пористого углерода. Углерод поглощал беспорядочные молекулы хлора и превращал их обратно в хлорид натрия. Экспериментальная хлорная батарея, вмещающая в шесть раз больше энергии, чем аналогичная литий-ионная, смогла выжить в течение 200 полных циклов заряд-разряда.
Меньше - больше
Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) добились рекордной эффективности от обычных литий-ионных батарей. Команда сосредоточилась на методе, который известен как твердая электролитная интерфаза (SEI). Это тонкая пленка поверх анода, которая контролирует, какие молекулы попадают в него из электролита во время цикла.
Ученые нашли новое решение в виде очень тонких полос лития шириной около 20 микрон, намного тоньше человеческого волоса. Эти полосы были использованы в качестве основы для анода с SEI. Оказалось, что такой анод взаимодействует с электролитом более “осторжно”, чем аноды с более толстыми полосами.
Прототип пакетного аккумулятора команды новым анодом, сохранил 76% своей емкости в спустя рекордные 600 циклов. При этом его плотность энергии составила 350 Вт·ч/кг. Для сравнения, лучшие литий-ионные батареи на современном рынке имеют плотность энергии от 250 до 300 Вт·ч/кг.
Полутвердый электрод
Еще один интересный пример батареи с твердым электролитом имеет «полутвердый» электрод из натрий-калиевых сплавов. По словам разработчиков, этот материал сопоставим с тем, что стоматологи используют для пломбирования зубов. Он может быть текучим и легко поддается формовке, но, при необходимости, становится очень твердым.
Когда этот материал вступает в контакт с твердым электролитом, он заполняет трещины, которые могут образоваться на более жестком и хрупком электродном материале. Это, в свою очередь, препятствует образованию дендритов, и позволяет добиться более высокой плотности тока, чем в других твердотельных батареях.
