Исследователи создают аккумуляторные батареи, которые хранят в шесть раз больше заряда

Международная группа исследователей под руководством Стэнфордского университета разработала аккумуляторные батареи, которые могут хранить до шести раз больше заряда, чем те, которые в настоящее время коммерчески доступны.

Прогресс может ускорить использование этих аккумуляторных батарей и приблизить исследователей к достижению двух основных заявленных целей в их области: создание высокопроизводительной аккумуляторной батареи, которая могла бы позволяют заряжать мобильные телефоны только раз в неделю и электромобили, которые могут путешествовать в шесть раз дальше без подзарядки.

Новые так называемые щелочно-хлорные батареи, разработанные группой исследователей во главе с профессором химии Стэнфордского университета Хунцзе Даем, основаны на возвратно-поступательном химическом преобразовании хлорида натрия (Na / Cl2) или хлорида лития (Li / Cl2) в хлор.

Когда электроны перемещаются от одной стороны перезаряжаемой батареи к другой, перезарядка возвращает химический состав обратно в исходное состояние, ожидая следующего использования. Неперезаряжаемым батареям не повезло. После истощения их химический состав не может быть восстановлен.

«Аккумуляторная батарея немного похожа на кресло-качалку. Она наклоняется в одном направлении, но затем раскачивается, когда вы добавляете электричество», — объяснил Дай. «То, что у нас есть, — это кресло-качалка с высокими качелями».

Причина, по которой никто еще не создал высокопроизводительные перезаряжаемые натрий-хлорные или литий-хлорные батареи, заключается в том, что хлор слишком реактивен и его сложно преобразовать обратно в хлорид с высокой эффективностью. В тех немногих случаях, когда другим исследователям удавалось достичь определенной степени перезаряжаемости, характеристики батареи оказались низкими.

Фактически, ученые вообще не намеревались создавать перезаряжаемые натриевые и литий-хлорные батареи, а просто усовершенствовали существующие технологии батарей с использованием тионилхлорида. Это химическое вещество является одним из основных ингредиентов литий-тионилхлоридных батарей, которые являются популярным типом одноразовых батарей, впервые изобретенных в 1970-х годах.

Но в одном из своих ранних экспериментов с хлором и хлоридом натрия исследователи из Стэнфорда заметили, что преобразование одного химического вещества в другое каким-то образом стабилизировалось, что привело к некоторой перезарядке. «Я не думал, что это возможно», — сказал Дай. «Нам потребовалось около года, чтобы по-настоящему понять, что происходит».

 Смотрите также: Создана самая эффективная в мире литий-серная батарея

В течение следующих нескольких лет команда ученых выяснила обратимый химический состав и искала способы сделать его более эффективным, экспериментируя с множеством различных материалов для положительного электрода батареи. Большой прорыв произошел, когда они сформировали электрод из усовершенствованного пористого углеродного материала. Углеродный материал имеет структуру наносферы, заполненную множеством сверхмалых пор. На практике эти полые сферы действуют как губка, всасывая обильное количество молекул хлора, которые в противном случае были бы чувствительны, и сохраняя их для последующего преобразования в соль внутри микропор.

«Когда батарея заряжена, молекула хлора улавливается и защищается в крошечных порах углеродных наносфер», — пояснили ученые. «Затем, когда аккумулятор необходимо разрядить или зарядить, мы можем разрядить аккумулятор и преобразовать хлор в NaCl — поваренную соль — и повторить этот процесс в течение многих циклов. В настоящее время мы можем выполнять цикл до 200 раз, и все еще есть возможности для улучшений».

Исследователи достигли 1200 миллиампер-часов на грамм материала положительного электрода, в то время как емкость коммерческих литий-ионных аккумуляторов сегодня составляет до 200 миллиампер-часов на грамм. «Наша емкость как минимум в шесть раз выше», — говорят ученые.

Они предполагают, что их батареи однажды будут использоваться в ситуациях, когда частая подзарядка нецелесообразна или нежелательна, например, в спутниках или удаленных датчиках. Многие спутники, которые можно было бы использовать в других случаях, сейчас находятся на орбите, устаревшие из-за разряженных батарей. Будущие спутники, оснащенные долговечными перезаряжаемыми батареями, могут быть оснащены солнечными зарядными устройствами, что многократно расширит их полезность.

На данный момент разработанный рабочий прототип может быть пригоден для использования в небольшой повседневной электронике, такой как слуховые аппараты или пульты дистанционного управления. Что касается бытовой электроники или электромобилей, то остается еще много работы по проектированию конструкции батареи, увеличению плотности энергии, увеличению размера батарей и увеличению количества циклов.