В шесть раз лучше лития: ученые создали перезаряжаемую батарею из хлора

Батарея, аккумулятор
Прототип хлорной батареи от Стэнфордского университета

Плотность энергии в экспериментальном прототипе составила 1200 мАч/г, при этом он работает на обычной поваренной соли.

Ученые из Стэндфордского университета в США собрали первую батарею на основе хлора, емкость которой в 6 раз превысила литий-ионные аналоги.

Исследование описано на официальном сайте университета.

Американские инженеры возглавили международную команду, которая разработала прототип перезаряжаемых щелочно-хлорных батарей. По мнению ученых, в ближайшем будущем такие аккумуляторы позволят заряжать смартфоны всего раз в неделю, а электрокарам — преодолевать большие расстояния.

Технология основана на возвратно-поступательном химическом преобразовании хлорида натрия или хлорида лития в хлор. Перезарядка возвращает химический состав в исходное состояние, когда электроны полностью перемещаются от одной стороны батареи к противоположной. Ранее в Стэнфорде экспериментировали только с неперезаряжемыми прототипами.

"Аккумуляторная батарея чем-то похожа на кресло-качалку. Он наклоняется в одном направлении, но затем возвращается обратно, когда вы добавляете электричество. У нас есть кресло-качалка с высокой качаемостью", — объяснил ведущий автор исследования профессор Хунцзе Даи.

До сих пор физикам не удавалось создать высокопроизводительные натрий-хлорные или литий-хлорные батареи с возможностью перезарядки, ведь хлор слишком реактивный элемент — это означает, что он очень легко вступает в химические реакции. Из-за этой особенности вещество сложно преобразовать в хлорид с той же степенью эффективности. Ранее другим ученым удавалось создавать перезаряжаемые хлорные батареи, однако их производительность была слишком мала и не шла ни в какое сравнение с литий-ионными.

соль
Кристаллы поваренной соли

Хунцзе Даи и его коллеги изначально не планировал создать перезаряжаемые хлорные аккумуляторы, а пытались усовершенствовать технологии на основе тионилхлорида. Такое химическое вещество широко применяется в создании одноразовых батареек, изобретенных еще в 1970-х годах. Во время одного из экспериментов ученые заметили, что во время очередного преобразования состояние химикатов стабилизировалось, и устройство отчасти перезарядилось. Физикам потребовалось несколько лет, чтобы разобраться в сути этого явления. В ходе экспериментов они перепробовали множество материалов для катода (позитивного электрода), и лучший результат показал пористый углеродный материал, разработанный профессором Юань-Яо Ли из Национального университета Чунг Ченг (Тайвань).

Материал являет собой наносферу, заполненную множеством маленьких пор, благодаря которым впитывает большое количество молекул хлора и сохраняет их, подобно губке. В итоге вещество снижает свою чувствительность, и его можно многократно преобразовывать в соль (хлорид натрия) прямо внутри катода.

"Когда батарея заряжена, молекула хлора "проваливается" в крошечные поры углеродных наносфер. Затем мы можем разрядить аккумулятор и преобразовать хлор в хлорид натрия — поваренную соль — и повторить этот процесс многократно, а именно до 200 раз. Но и такой показатель — это не предел", — объяснил Гуанчжоу Чжу, работавший в команде Даи.

В результате такого открытия, ученые добились очень высокой плотности энергии — 1200 миллиампер-часов на грамм материала положительного электрода. В то же время, емкость современных литий-ионных батарей достигает 200 мАч/г, то есть в 6 раз ниже. По мнению разработчиков, их аккумуляторы помогут избежать частой перезарядки там, где она неудобна или вовсе нежелательна.

Пока размер позволяет устанавливать их в слуховые аппараты, пульты и другую бытовую электронику маленького размера. Чтобы применять хлорные батареи в электромобилях, смартфонах и другой технике, ученым необходимо улучшить конструкцию, повысить плотность, увеличить размеры и количество циклов. Если это удастся, их смогут устанавливать даже на космические спутники.

Ранее ученые в 10 раз улучшили дешевые натрий-ионные батареи при помощи новой структуры графена. Теперь они стали почти такими же эффективными, как литий-ионные, но обходятся в разы дешевле.