У шість разів краще за літій: вчені створили акумуляторну батарею з хлору

Вчені зі Стенфордського університету в США зібрали першу батарею на основі хлору, ємність якої в 6 разів перевищила літій-іонні аналоги.

Дослідження описане на офіційному сайті університету.

Американські інженери очолили міжнародну команду, яка розробила прототип перезаряджувальних лужно-хлорних батарей. На думку вчених, у найближчому майбутньому такі акумулятори дозволять заряджати смартфони всього раз на тиждень, а електрокарам — долати великі відстані.

Технологія заснована на зворотно-поступальному хімічному перетворенні хлориду натрію або хлориду літію в хлор. Перезарядка повертає хімічний склад у початковий стан, коли електрони повністю переміщуються від однієї сторони батареї до протилежної. Раніше в Стенфорді експериментували тільки з неперезаряжувальними прототипами.

"Акумуляторна батарея чимось схожа на крісло-гойдалку. Вона нахиляється в одному напрямку, але потім повертається назад, коли ви додаєте електрику. У нас є крісло-гойдалка з високою гойдальністю", — пояснив провідний автор дослідження професор Хунцзі Даї.

До сих пір фізикам не вдавалося створити високопродуктивні натрій-хлорні або літій-хлорні батареї з можливістю перезарядки, адже хлор занадто реактивний елемент — це означає, що він дуже легко вступає в хімічні реакції. Через цю особливість речовину складно перетворити на хлорид із тим же ступенем ефективності. Раніше іншим вченим вдавалося створювати акумуляторні хлорні батареї, проте їхня продуктивність була занадто мала і не йшла ні в яке порівняння з літій-іонними.

Хунцзі Даї і його колеги з самого початку не планували створити перезаряджувальні хлорні акумулятори, а намагалися вдосконалити технології на основі тіонілхлориду. Така хімічна речовина широко застосовується у створенні одноразових батарейок, винайдених ще в 1970-х роках. Під час одного з експериментів вчені помітили, що під час чергового перетворення стан хімікатів стабілізувався, і пристрій частково перезарядився. Фізикам знадобилося кілька років, щоб розібратися в суті цього явища. В ході експериментів вони перепробували безліч матеріалів для катода (позитивного електрода), і кращий результат показав пористий вуглецевий матеріал, розроблений професором Юань-Яо Лі з Національного університету Чунг Ченг (Тайвань).

Матеріал являє собою наносферу, заповнену великою кількістю маленьких пор, завдяки яким вбирає велику кількість молекул хлору і зберігає їх, подібно до губки. В результаті речовина знижує свою чутливість, і її можна багаторазово перетворювати на сіль (хлорид натрію) прямо всередині катода.

"Коли батарея заряджена, молекула хлору "провалюється" в крихітні пори вуглецевих наносфер. Потім ми можемо розрядити акумулятор і перетворити хлор на хлорид натрію — кухонну сіль — і повторити цей процес багаторазово, а саме до 200 разів. Але і такий показник — це не межа", — пояснив Гуанчжоу Чжу, який працював у команді Даї.

В результаті такого відкриття вчені домоглися дуже високої щільності енергії — 1200 міліампер-годин на грам матеріалу позитивного електрода. У той же час, ємність сучасних літій-іонних батарей досягає 200 мАг/г, тобто в 6 разів нижча. На думку розробників, їхні акумулятори допоможуть уникнути частої перезарядки там, де вона незручна або зовсім небажана.

Поки розмір дозволяє встановлювати їх у слухові апарати, пульти та іншу побутову електроніку маленького розміру. Щоб застосовувати хлорні батареї в електромобілях, смартфонах та іншій техніці, вченим необхідно поліпшити конструкцію, підвищити щільність, збільшити розміри і кількість циклів. Якщо це вдасться, їх зможуть встановлювати навіть на космічні супутники.

Раніше вчені в 10 разів поліпшили дешеві натрій-іонні батареї за допомогою нової структури графену. Тепер вони стали майже такими ж ефективними, як літій-іонні, але обходяться в рази дешевше.