Учені розробили довговічний акумулятор із "матеріалу мрії"

акумулятор, батарея, батарейка
Фото: unsplash.com

Літій-металева батарея нового типу зберігає працездатність протягом рекордної кількості циклів зарядки.

Дослідницька група з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL) Міністерства енергетики США розробила особливу конструкцію літій-металевої батареї, яка робить її більш зносостійкою.

Про це повідомляє видання Nature Energy.

Ідея полягає в заміні графіту, використовуваного в анодному компоненті, на чистий металевий літій, який може утримувати в 10 разів більше енергії. Деякі вчені називають металевий літій "матеріалом мрії" завдяки його здатності зберігати величезну кількість енергії. Але все ж є у нього й мінуси: батареї, де застосовувався цей матеріал, швидко виходили з ладу під час експлуатації.

Одна з причин — складні реакції, що відбуваються навколо анода та впливають на шар, який утворюється на аноді літій-іонних батарей під час перших кількох циклів зарядки (цей шар ще називають міжфазною фазою твердого електроліту, — SEI). SEI контролює молекули, що входять в анод із розчину електроліту, через який електрони переміщаються до і від іншого електрода — катода. Так, цей шар відіграє роль "воротаря" і відповідає за запобігання небажаних хімічних реакцій під час ввімкнення батареї, і саме з ним і працювали вчені.

Раніше вважалося, що додавання літію в анод — один із способів вирішення вищеописаної проблеми, але команда досягла успіху завдяки іншому підходу.

"Багато наших колег думали, що більш товстий шар літію дозволить батареї працювати довше", — говорить Цзе Сяо, учасник експерименту. "Але це не завжди так. Для кожної літій-металевої батареї існує оптимальна товщина залежно від енергії її елемента та конструкції".

Учені використовували дуже тонкі смужки літію як основу для анода, кожна шириною всього 20 мікрон, що набагато тонше, ніж людська волосина. На основі такої конструкції був створений акумулятор зі щільністю енергії 350 Втгод/кг. Кращі в своєму класі літій-іонні батареї, які використовуються сьогодні, мають щільність від 250 до 300 Втгод/кг.

У процесі тестування команда зʼясувала, що батарея зберегла 76% ємності після рекордних 600 циклів. До речі, ця ж група дослідників чотири роки тому продемонструвала експериментальну літієву батарею, яка могла працювати до 50 циклів, а два роки тому вони змогли "розігнати" її до 200 циклів. Поточна версія, яка встановила рекорд, є ще одним кроком вперед у розвитку технологій і, за словами вчених, працює набагато довше, ніж будь-які інші версії, що розробляються в аналогічних проектах.

Команда пояснює успіх конструкції тим, що більш тонкі смужки сприяють кращому SEI й, отже, кращій взаємодії між електролітом та анодом, порівняно з більш товстими смужками, які пригнічують важливі електрохімічні реакції. Вирішивши ключове питання, повʼязане з літій-металевими батареями, автори сподіваються продовжити вдосконалення технології за допомогою консорціуму, відомого як Battery500, який працює над досягненням щільності енергії 500 Втгод/кг.

"Консорціум Battery500 домігся великого прогресу в збільшенні щільності енергії та продовженні терміну служби", — говорить Стенлі Віттінгем, лауреат Нобелівської премії 2019 року з хімії та учасник тестів. "Але ще багато що ще треба зробити. Зокрема, необхідно розвʼязати проблеми безпеки, повʼязані з літій-металевими батареями. Команда Battery500 наполегливо працює над вирішенням цієї проблеми".

Раніше ми повідомляли про те, що вчені розробили дешевий метод вилучення літію для акумуляторів — прямо з морської води. Видобуток 1 кг літію коштуватиме всього 5 доларів.