Топ-7 открытий в сфере аккумуляторов: какими будут мобильные гаджеты в 2022 году

В 2021 году ученые совершили множество открытий в области аккумуляторных батарей, которые питают мобильные устройства. Издание New Atlas выбрало самые интересные исследования и методы.

Сейчас большинство гаджетов и электродвигателей работают благодаря литий-ионным батареям. Инженеры постоянно пытаются улучшить их характеристики, такие как энергоемкость, скорость зарядки, производительность или срок службы, а для этого экспериментируют с новыми материалами или структурой. Однако некоторые исследователи удивили мир своим нестандартным мышлением и необычными идеями.

Революционный материал для сверхбыстрой зарядки

Одним из перспективных способов увеличить скорость зарядки аккумулятора считается внедрение электродов с пористой структурой — она увеличит площадь контакта с жидким электролитом и облегчит прохождение ионов лития через материал. В ноябре команда из Нидерландов представила анод (отрицательно заряженный электрод) из ниобата кобальта. Он обладает "открытой" и правильно кристаллической структурой с одинаковыми каналами, идеальными для переноса тока.

Ученые создали из нового материала прототип батареи и в ходе экспериментов обнаружили, что она заряжается в 10 раз быстрее других литий-ионных аналогов. Кроме того, ниобат кобальта оказался более надежным, чем другие пористые структуры с неорганизованными и случайными каналами, способными вывести конструкцию из строя. Также он имеет более высокую объемную плотность по сравнению с графитом, основным материалом для современных анодов. Вполне возможно, что в будущем благодаря ниобату кобальта батареи станут более легкими и компактными.

Возрождение "мертвых" частиц лития

Во время циклов зарядки и перезарядки ионы лития перемещаются между электродами, однако не все из них добираются к месту назначения. Со временем в электролите образовываются сгустки неактивных частиц, из-за которых значительно снижается емкость и может начаться возгорание.

Ученые из Стэнфордского университета (США) научились возвращать литиевые островки к "жизни", чтобы продлить срок службы аккумуляторов на 30%. Как оказалось, сгустки продолжают двигаться между электродами, просто очень медленно. Добавив напряжение с высокой силой тока, они заставили неактивный литий перемещаться быстрее и достигать электрода, после чего они восстанавливали свою активность.

Как подчеркнули исследователи, "мертвые" литиевые сгустки — реальная проблема для литий-металлических конструкций следующего поколения, которые могут удерживать до 10 раз больше энергии. Их открытие может стать прорывом для создания усовершенствованных батарей.

Безопасный аккумулятор в форме сэндвича

Литий-металлические батареи имеют высокий потенциал благодаря более высокой емкости и плотности энергии по сравнению с графитом или медью. Ученый из Гарвардского университета (США) предложил конструкцию в виде сэндвича, которая может устранить проблемы со стабильностью перспективных аккумуляторов.

Главным недостатком литий-металлических структур являются острые отростки под названием дендриты, которые возникают в процессе зарядки, они грозят снижением производительности, поломкой или возгоранием. Американские ученые решили заменить жидкий электролит двумя твердыми керамическими пластинами, между которыми располагаются остальные "ингредиенты".

Благодаря такой архитектуре батарея устраняет зазоры, образованные дендритами. Во время испытаний прототип сохранил 82% емкости после 10 тыс. циклов перезарядки, а также показал высокую плотность тока, при которой электромобили смогут заряжаться примерно за 20 мин.

Батареи из дерева

Другая группа ученых из США предложила использовать в литий-металлических аккумуляторах твердый электролит из целлюлозы, добытой из дерева, в форме полимерных трубочек под названием нанофибриллы. В сочетании с медью они образовывают устойчивый ионный проводник с крошечными отверстиями между полимерными цепями, которые действовали как "ионные супермагистрали", позволяя ионам лития перемещаться с рекордной эффективностью.

Исследования показали, что материл обеспечивают проводимость в 10-100 раз большую, чем другие проводники из полимеров. Благодаря высокой гибкости, целлюлозные нанофибриллы хорошо выдерживают нагрузки при циклическом переключении.

Хлор вместо лития

Щелочно-хлорные батареи известны с 1970-х годов и предлагают высокую плотность энергии, однако высокая активность хлора ранее не позволяла использовать его чаще одного раза. Недавно ученые из Стэндфордского университета придумали, как стабилизировать химические реакции, чтобы сделать хлорные аккумуляторы многоразовыми и перезаряжаемыми.

Они сделали электрод из пористого углерода, который поглощал неустойчивые молекулы хлора и безопасно преобразовывал их в хлорид натрия, исходную форму перед разрядом. Прототип батареи позволил повторить цикл до 200 раз и показал плотность энергии примерно в 6 раз выше, чем литий-ионные аналоги.

Сверхтонкие электроды для лучшей проводимости

Сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США нашли новое решение в виде очень тонких полосок лития шириной около 20 микрон, намного тоньше человеческого волоса. Они занялись улучшением так называемой межфазной границы твердого электролита — это тонкая пленка поверх анода, которая контролирует вхождение молекул в электролит.

Сверхтонкие полоски лития показали лучшее взаимодействие с электролитом, чем более толстые аноды, подавляющие электрохимические реакции.

Податливый материал для автоматического "лечения" аккумуляторов

В марте ученые представили необычный вид батареи на основе "полутвердого" электрода из натрий-калиевых сплавов. Он напоминает материалы, которыми пломбируют зубы — сначала жидкие и податливые, а затем твердеют. По словам авторов статьи, такая конструкция позволяет устранить некоторые ключевые проблемы аккумуляторов.

Когда новый податливый материал вступает в контакт с твердым, но хрупким электролитом, то предотвращает образование трещин и заполняет собой поврежденные участки. Он также не дает появляться дендритам, а одновременно с этим обеспечивает в 20 раз большую плотность тока, чем другие твердотельные батареи. Потенциально это значительно ускоряет зарядку.