Новый аккумулятор имеет в 8 раз большую емкость, да еще и дешевле!
Источник: https://www.sciencedaily.com
Если взглянуть на новый доклад профессора материаловедения Кристофера Волвертона (Christopher Wolverton) о создании его командой “суперлитиевого” аккумулятора поверхностно, то может показаться, что это чепуха. Во-первых, в предложенном устройстве используется железо - дешевый металл, использование которого в батареях давно признали нецелесообразным. К тому же для управления химической реакции у него используется кислород, а предыдущие исследования показали, что данный элемент приводит к нестабильной работе процессов внутри аккумулятора.
Но по утверждению ученого, его изобретение не просто работает, а делает это невероятно хорошо, с характеристиками несравнимо лучшими, чем у существующих аналогов.
Объединившись с инженерами из аргоннской национальной лаборатории (исследовательский центр министерства энергетики США), Волвертон с коллегами вели свою работу в Северо-Западном университете, в Чикаго. Они разработали перезаряжаемую литий-железо-кислородную батарею, которая может хранить больше ионов лития, чем используемые сегодня литий-ионные аналоги с применением кобальта. В результате получается гораздо более мощный аккумулятор, который позволит гаджетам работать дольше, а автомобилям иметь больший запас хода.
Волвертон рассказал, что их теоретические расчеты были впечатляющими, но оставался скептицизм по поводу реального их воплощения в работающем устройстве. И теперь, когда они продемонстрировали публике работающий прототип аккумулятора нового типа, все сомнения рассеялись.
Программа исследований была поддержана министерством энергетики США, а результаты работы опубликованы в издании Nature Energy. Соавторами доклада стали доктор Женпенг Яо (Zhenpeng Yao) из лаборатории Волвертона, отвечавший за теорию и Чун Чжан (Chun Zhan) из аргоннского центра, обеспечившего материальную базу для создания реально работающего аккумулятора.
Традиционные литий-ионные аккумуляторы работают за счет циклического движения ионов лития (а у них есть свойство внедряться в кристаллическую решетку других материалов) между анодом и катодом и обратно. Когда батарея заряжается, ионы возвращаются к катоду, где они хранятся. Катод изготовлен из материала, который содержит ионы лития, переходный металл (а им теоретически может быть не только кобальт, но и никель, железо и вольфрам) и кислород. Переходный металл, в качестве которого сейчас используется кобальт, эффективно накапливает, а затем высвобождает заряженные частицы, создавая постоянный электрический ток, когда ионы лития перемещаются от катода к аноду. Емкость катода ограничивается числом ионов в переходном металле, которые могут участвовать в реакции.
Источник: http://www.extremetech.com
В современных аккумуляторах один атом кобальта присоединяет один ион лития, и это определяет емкость батареи. Но что еще хуже, только половина из связанных ионов могут участвовать в процессе разряда. И сегодня нашим гаджетам не хватает емкости аккумуляторов, чтобы комфортно пользоваться без подзарядки ими хотя бы несколько дней.
Литий-кобальтовые батареи используются уже около двадцати лет и не соответствуют современным требованиям, ученые по всему миру ищут альтернативы, которые были бы главное более емкими, а еще лучше - более дешевыми. Волвертон и его коллеги, похоже, добились того, чтобы решить обе задачи одновременно. Во-первых, они заменили кобальт железом, а во-вторых - добавили в реакцию кислород.
Теоретически было известно, что кислород тоже может способствовать току ионов, но раньше никому из ученых не удавалось воспроизвести стабильный процесс с его взаимодействием. Кислород высвобождался из реакции в виде газа, делая ее необратимой, но это уже не то, что нужно для аккумуляторов.
Заменив кобальт железом, команда Волвертона рассчитала теоретически необходимое соотношение металла, ионов лития и кислорода, чтобы сделать процесс обратимым, а также не допустив выделения кислорода в газообразном состоянии. Практика доказала правильность их изысканий - аккумулятор получился лучше и из более дешевых материалов.
Вместо одного иона лития на атом как в кобальтовых устройствах, в этом есть сразу в четыре раза больше, да еще используются они полностью, а не на пятьдесят процентов как сейчас. Это значит емкость повышается в 8 раз! Инженеры на электротранспорте мучительно борются за отсутствие каждого лишнего килограмма батарей и каждый киловатт запасенной энергии, и новый тип аккумуляторов может полностью перестроить весь автомобильный рынок. Представляете легковушку на электричестве с запасом хода в тысячи километров и с дешевыми аккумуляторами? Это фантастика! Это может просто изменить окружающий нас мир, и не только потому что смартфон можно будет неделю не заряжать, хотя это тоже важно ;-) На улицах просто не останется машин на бензине, дышать станет легко во всех мегаполисах!
Волвертон с командой подали заявку на патент, и надеюсь скоро приступят к серийному производству новых, литий-железо-кислородных аккумуляторов.
