Революционная батарея из Китая работает дольше и "лечится" сама: как это изменит технику

Выход батарей из строя спустя некоорое время работы уже давно беспокоит пользователей. Новое исследование, способное устранить эту проблему, опубликовано в журнале Nature.

Новые материалы для литиевых аккумуляторов сжимаются при нагревании и восстанавливаются благодаря интеллектуальной зарядке, что обеспечивает более длительный срок службы и большую безопасность. Технология основана на кислородно-окислительно-восстановительной (OR) химии, она должна заставить батареи работать дольше и заряжаться эффективнее, используя хаотическое поведение молекул в материалах для улучшения производительности.

Когда материалы нагреваются, они обычно расширяются. Это расширение происходит, потому что атомы больше движутся по мере повышения температуры, заставляя структуру разбухать. Ученые используют правило Грюнайзена, которое определяет, насколько расширяется твердое тело в зависимости от вибрации его атомов. Но некоторые материалы не следуют этому правилу.

В богатых литием слоистых оксидах, используемых во многих литий-ионных батареях, ученые обнаружили нечто редкое: отрицательное тепловое расширение (NTE). Вместо того чтобы расширяться при нагревании, эти материалы сжимаются в диапазоне от 150°C до 250°C. Это не соответствует типичному термическому поведению твердых тел.

Команда из Института материаловедения и инженерии Нинбо (NIMTE) во главе с Лю Чжаопином увидела в беспорядочном поведении материалов новый способ улучшения работы аккумуляторов. Ученые разработало новый тип катода, который устойчив к изменению размера при нагревании. Они нашли материал с нулевым тепловым расширением (ZTE) стабильны даже при более высоких температурах. Это имеет большое значение для аккумуляторов, где перепады температур могут привести к поломкам, сокращению срока службы и даже рискам безопасности.

богатые литием материалы уже предлагают высокую емкость хранения энергии — более 300 миллиампер-часов на грамм (мАч/г), что намного больше, чем у стандартных материалов. Но до сих пор у них была серьезная слабость: падение напряжения. По мере старения батареи напряжение падало, что снижало ее способность питать устройства.

Исследование показало, что структурный беспорядок в материалах можно обратить вспять с помощью электрохимического контроля. Если подавать определенные импульсы напряжения, около 4 В, то структура восстанавливается и первоначальное напряжение восстанавливаются почти на 100%.

На практике это означает, что батареи могут однажды восстанавливаться во время обычной зарядки. Умные системы зарядки могут посылать короткие импульсы напряжения, чтобы перестроить атомы материала обратно в порядок. Нет необходимости заменять стареющие батареи — достаточно просто "лечить" их с помощью зарядного устройства.

Такое лечение на месте может удвоить срок службы литий-ионных аккумуляторов. Для пользователей это означает, что телефоны, ноутбуки и даже электромобили будут работать гораздо дольше без необходимости в новых батареях. Для окружающей среды это означает меньше выброшенных батарей и меньшую потребность в добыче сырья.