Топ-7 відкриттів у сфері акумуляторів: якими будуть мобільні гаджети у 2022 році

У 2021 році вчені зробили безліч відкриттів у галузі акумуляторних батарей, які живлять мобільні пристрої. Видання New Atlas обрало найцікавіші дослідження та методи.

Зараз більшість гаджетів і електродвигунів працюють завдяки літій-іонним батареям. Інженери постійно намагаються покращити їхні характеристики, такі як енергоємність, швидкість зарядки, продуктивність або термін служби, а для цього експериментують із новими матеріалами чи структурою. Проте деякі дослідники здивували світ своїм нестандартним мисленням і незвичайними ідеями.

Революційний матеріал для надшвидкої зарядки

Одним із перспективних способів збільшити швидкість зарядки акумулятора вважається використання електродів із пористою структурою — вона збільшить площу контакту з рідким електролітом і полегшить проходження іонів літію через матеріал. У листопаді команда з Нідерландів представила анод (негативно заряджений електрод) із ніобату кобальту. Він має "відкриту" та правильно кристалічну структуру з однаковими каналами, ідеальними для перенесення струму.

Учені створили з нового матеріалу прототип батареї і в ході експериментів виявили, що вона заряджається в 10 разів швидше за інші літій-іонні аналоги. Крім того, ніобат кобальту виявився надійнішим, ніж інші пористі структури з неорганізованими та випадковими каналами, здатними вивести конструкцію з ладу. Також він має вищу об'ємну густину в порівнянні з графітом, основним матеріалом для сучасних анодів. Цілком можливо, що в майбутньому завдяки ніобату кобальту батареї стануть більш легкими та компактними.

Відродження "мертвих" частинок літію

Під час циклів заряджання та перезаряджання іони літію переміщуються між електродами, проте не всі з них добираються до місця призначення. Згодом в електроліті утворюються згустки неактивних частинок, через які значно знижується ємність і може початися спалах.

Вчені зі Стенфордського університету (США) навчилися повертати літієві острівці до життя, щоб продовжити термін служби акумуляторів на 30%. Як виявилось, згустки продовжують рухатися між електродами, просто дуже повільно. Додавши напругу з високою силою струму, вони змусили неактивний літій пересуватися швидше та досягати електрода, після чого вони відновлювали свою активність.

Як підкреслили дослідники, "мертві" літієві згустки — реальна проблема для літій-металевих конструкцій наступного покоління, які можуть утримувати до 10 разів більше енергії. Їхнє відкриття може стати проривом для створення вдосконалених батарей.

Безпечний акумулятор у формі сендвіча

Літій-металеві батареї мають високий потенціал завдяки вищій ємності та щільності енергії порівняно з графітом або міддю. Вчений із Гарвардського університету (США) запропонував конструкцію у вигляді сендвіча, яка може усунути проблеми зі стабільністю перспективних акумуляторів.

Головним недоліком літій-металевих структур є гострі відростки під назвою дендрити, що виникають у процесі зарядки, вони загрожують зниженням продуктивності, поломкою або спалахом. Американські вчені вирішили замінити рідкий електроліт двома твердими керамічними пластинами, між якими є інші "інгредієнти".

Завдяки такій архітектурі батарея усуває проміжки, утворені дендритами. Під час випробувань прототип зберіг 82% ємності після 10 тис. циклів перезаряджання, а також показав високу щільність струму, за якої електромобілі зможуть заряджатися приблизно за 20 хв.

Батареї з дерева

Інша група вчених із США запропонувала використовувати в літій-металевих акумуляторах твердий електроліт із целюлози, видобутої з дерева, у формі полімерних трубочок під назвою нанофібрили. У поєднанні з міддю вони утворюють стійкий іонний провідник із крихітними отворами між полімерними ланцюгами, які діяли як "іонні супермагістралі", дозволяючи іонам літію переміщатися з рекордною ефективністю.

Дослідження показали, що матеріал забезпечують провідність у 10-100 разів більшу, ніж інші провідники з полімерів. Завдяки високій гнучкості, целюлозні нанофібрили добре витримують навантаження при циклічному перемиканні.

Хлор замість літію

Лужно-хлорні батареї відомі з 1970-х років і пропонують високу густину енергії, проте висока активність хлору раніше не дозволяла використовувати його частіше одного разу. Нещодавно вчені зі Стендфордського університету придумали, як стабілізувати хімічні реакції, щоб зробити хлорні акумулятори багаторазовими та перезаряджуваними.

Вони зробили електрод із пористого вуглецю, який поглинав нестійкі молекули хлору та безпечно перетворював їх у хлорид натрію, вихідну форму перед розрядом. Прототип батареї дозволив повторити цикл до 200 разів і показав щільність енергії приблизно 6 разів вищу, ніж літій-іонні аналоги.

Надтонкі електроди для кращої провідності

Співробітники Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL) Міністерства енергетики США знайшли нове рішення у вигляді дуже тонких смужок літію завширшки близько 20 мікронів, набагато тонше за людське волосся. Вони зайнялися поліпшенням так званої міжфазної межі твердого електроліту — це тонка плівка поверх анода, яка контролює входження молекул в електроліт.

Надтонкі смужки літію показали кращу взаємодію з електролітом, ніж товстіші аноди, що пригнічують електрохімічні реакції.

Податливий матеріал для автоматичного "лікування" акумуляторів

У березні вчені представили незвичайний вид батареї на основі напів твердого електрода з натрій-калієвих сплавів. Він нагадує матеріали, якими пломбують зуби, — спочатку рідкі та податливі, а потім твердіють. За словами авторів статті, така конструкція дає змогу усунути деякі ключові проблеми акумуляторів.

Коли новий податливий матеріал вступає в контакт із твердим, але крихким електролітом, запобігає утворенню тріщин і заповнює собою пошкоджені ділянки. Він також не дає з'являтися дендритам, а водночас забезпечує в 20 разів більшу щільність струму, ніж інші твердотільні батареї. Потенційно це прискорює зарядку.

Раніше писали, що вчені створили акумулятори, які можна прати. Вони витримують 39 "купань" у пральних машинах, а також можуть бути вплетені в тканину для створення "розумного" одягу або іншої електроніки, що носиться.