Дослідники роблять важливий крок на шляху до нового покоління акумуляторів

Дослідники Технологічного університету Делфт у співпраці з дослідниками з Університету Цінхуа зробили важливий крок до нового типу літій-іонних акумуляторів, які, серед іншого, використовуються в смартфонах, ноутбуках та електромобілях. Вперше їм вдалося виготовити електроліт, який добре поєднується з анодом із металевого літію. Металевий літій — святий Грааль для анодів. Теоретично за допомогою цього матеріалу можна досягти в два-три рази вищої щільності енергії порівняно з сучасними батареями.

Літій-іонні батареї складаються з трьох компонентів: двох електродів, анода і катода, і електроліту. Це хімічна речовина, в якій іони літію перетікають з одного боку в інший. Класична проблема полягає в тому, що коли літій-іонні акумулятори заряджаються і розряджаються, електроліт повільно, але надійно руйнується. Під час цього процесу відходи накопичуються на межі розділу між електролітом та електродами, що з часом призводить до необхідності заряджати стільниковий телефон, наприклад, кілька разів на день.

В даний час комерційні акумулятори в основному використовують карбонати як електроліт. Це хімічні сполуки, що містять вуглець і кисень. Для нинішніх літій-іонних акумуляторів вони працюють нормально. Електроліт дуже повільно руйнується, завдяки чому літій-іонні акумулятори служать роками. "Але якщо ви хочете збільшити щільність енергії батарейок, вам доведеться використовувати зовсім інші матеріали", — каже керівник дослідження Марнікс Вагемакер. Для анодів метал літію є святим Граалем. Це пов’язано з тим, що він може зберігати набагато більше іонів літію, ніж сучасні аноди, виготовлені з графіту, матеріалу, який також можна знайти на кінчиках олівців. Більша кількість іонів літію дорівнює вищій щільності енергії, а отже, акумулятор служить довше, перш ніж він порожній.

Теоретично, батарея з металевим літієвим анодом має ємність для зберігання літію, яка в десять разів більша, ніж у наших сучасних батарей. Проблема в тому, що для акумуляторів з металевими анодами літію немає хорошого електроліту. Електроліти, які широко використовуються в даний момент, надто швидко руйнуються в поєднанні з металевим анодом літію. Зараз дослідники Технологічного університету Делфта розробили електроліт на основі іншого типу сполук, званих амідами. Цей електроліт добре працює з металевими анодами літію, а тому є важливим кроком на шляху до нового покоління літій-іонних батарей.

Захисний ефект

Новий електроліт не зупиняє розпад всередині батарей. "Як і всі інші електроліти, наш електроліт руйнується внаслідок реакцій з електродами", — каже Вагемакер. "Різниця полягає в тому, що цей розпад позитивно впливає на наш електроліт. Відходи, що утворюються між електродами та новим електролітом, насправді мають захисну дію. Створюється шар, який зупиняє подальші шкідливі реакції. Крім того, шар дозволяє іонам легко проходити, забезпечуючи належну роботу батареї протягом дуже довгого часу. Вона все ще розпадається, але в дуже контрольованому порядку ".

Електроліти можуть складатися з такої кількості різних речовин у стільки різних кількостях, що головною проблемою для дослідників було знайти правильний коктейль з хімічних речовин. Рецепт нового електроліту був розроблений завдяки поєднанню вдосконаленого методу розрахунку, заснованого на законах квантової механіки, і того, що Вагемакер називає "хімічною інтуїцією".

"Ми знали, що аміди, ймовірно, спричинять реакцію, яка утворює такий захисний шар", — пояснює дослідник. "Завдяки нашим теоретичним розрахункам ми змогли в подальшому передбачити, який буде добре функціонуючий коктейль".

Відстеження літію

Wagemaker працює в реакторному інституті Делфт, дослідницькому реакторі ТУ Делфт, де він має у своєму розпорядженні науковий інструмент, який має велике значення для його досліджень акумуляторів. Цей прилад здатний відстежувати іони літію в електроліті в режимі реального часу за допомогою нейтронів. Техніка називається нейтронним глибинним профілюванням. Wagemaker: "Ми змогли точно побачити, як захисний шар позитивно впливав на утворення металу літію з часом, і ми також побачили, як це покращило термін служби батареї".

Результати дослідження Wagemaker та його команди є багатообіцяючими, але ще потрібно попрацювати до того, як з’явиться нова та вдосконалена батарея, і до її виведення на ринок. "Зараз у нас є цікаві можливості для вдосконалення літієвих анодів у поєднанні з добре функціонуючим електролітом. Але нам також потрібно вдосконалити катод, інакше ми втратимо прибутки, які ми отримали до цього часу", — пояснює Вагемакер. Також є ще багато оптимізації. Але Wagemaker сподівається. "Я сподіваюся, що незабаром ми зможемо зробити лабораторний акумулятор із щільністю енергії, яка в два-три рази перевищує сучасні батареї. Можливо, він ще не має тривалості життя тисяч циклів заряду-розряду, а сотні циклів безумовно в межах досяжності ".

Facebook Comments