Аккумуляторы заработают "как бешеные": ученые открыли удивительное свойство металла

Об этом сообщает interestingengineering.com

Группа исследователей под руководством директора Института Макса Планка Йоахима Шпатца обнаружила, что использование металлических волокон в качестве контактного материала в электродах аккумуляторов может значительно ускорить перенос заряда и позволить создавать электроды, толщина которых в десять раз превышает существующие стандарты.

Это нововведение поможет увеличить плотность энергии на 85% и принести большую пользу различным отраслям промышленности: от электромобилей до портативной электроники.

Неизвестные ионы

По словам ученых, в основе их открытия лежит ранее неизвестный механизм, который они обнаружили в переносе ионов в электродах.

Традиционно электроды аккумулятора состоят из активного материала, который хранит заряд, и контактного материала — обычно медной или алюминиевой фольги — который переносит ток. Однако активные материалы, хотя и хорошо хранят заряд, являются плохими проводниками ионов.

Это ставит производителей аккумуляторов перед дилеммой: либо они делают электроды толстыми, чтобы их плотность энергии была максимально высокой, но тогда такие аккумуляторы не могут быстро заряжаться и разряжаться. Либо же электроды делают чрезвычайно тонкими и принимают тот факт, что плотность энергии будет уменьшаться, чтобы добиться быстрой зарядки и разрядки.

Толщина токовых электродов обычно составляет около одной десятой миллиметра.

Исследование группы из Гейдельберга демонстрирует, что металлические поверхности могут выступать в качестве «автомагистралей» для ионов металлов. Ученые обнаружили, что ионы лития сбрасывают свою молекулярную оболочку на медной поверхности, образуя двойной электрический слой, известный как слой Гельмгольца.

Используя специально разработанную измерительную установку и теоретические расчеты, исследователи показали, что ионы лития движутся через слой Гельмгольца примерно в 56 раз быстрее, чем через электролит.

Новая конструкция электрода

Перемежая активный материал металлической сеткой из нитей толщиной всего несколько сотых миллиметра, исследователи создали трехмерную сеть подачи носителей заряда.

Такая конструкция не только позволяет использовать электроды в десять раз толще обычных, сохраняя при этом возможности быстрой зарядки и разрядки, но и использует примерно вдвое меньше контактного металла и других неаккумулирующих материалов.

Результатом является значительное увеличение плотности энергии — до 85% по сравнению с традиционными фольгированными электродами.

Экономия энергии

Кроме повышения производительности, новые электроды также обеспечивают значительные производственные преимущества.

Существующий сложный и иногда токсичный процесс нанесения тонких слоев активного материала на фольгу с использованием растворителей можно заменить введением активного материала в виде порошка.

При сухом наполнении, предположительно, удастся экономить от 30 до 40 процентов производственных затрат, а для производственных помещений потребуется на треть меньше места.

Немецкие ученые полагают, что «у них есть шанс догнать азиатских производителей и стать еще лучше.

Ранее Фокус писал, что благодаря усилиям британских специалистов была создана батарея, которая может очищать воздух. В основе ее работы лежит улавливание углекислого газа, который затем превращается в электроэнергию.

Также стало известно, что китайские ученые создали миниатюрную портативную батарею на основе электроактивных микроорганизмов, которая показала возможность самозарядки до 10 циклов. Интересно, что для такой батареи вообще не нужен дорогостоящий литий.