Экологически чистое производство энергии и её хранение — две наиболее важные темы нашего времени. Многочисленные команды исследователей по всему миру активно работают над новыми технологиями или же пытаются усовершенствовать уже существующие разработки. Казалось бы, не осталось ничего, о чем бы не подумали исследователи. И тем более удивительно, когда сравнительно простой новый подход позволяет сделать хороший шаг вперед в исследованиях аккумуляторов — ученые из Стэнфордского университета в США представили литий-ионную батарею, которая, по словам исследователей, на 20% эффективнее прочих батарей сопоставимых размеров. И не только это: новая батарея также считается более безопасной.
Электромобили, ноутбуки, смартфоны — области применения литий-ионных аккумуляторов обширны и, благодаря растущей диджитализации, спрос на них растет. Особенно важны два направления требований. Одно из них, конечно же, ресурс батареи, что особенно важно для электромобилей, где основное внимание уделяется соответствующей дальности пробега транспортных средств. Другим аспектом является безопасность. Батареи смартфонов, которые перегреваются, вспыхивают или даже взрываются без видимых причин, довольно часто становятся негативными заголовками газет. Исследовательская группа из Стэнфордского университета считает, что новая технология может убить обоих зайцев одним выстрелом.
Работа над новой батареей осуществлялась сотрудниками американского университета совместно со специалистами Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. По сути, все, что они сделали, так это модифицировали токосъемники батарей. «Ранее коллектор всегда считался необходимым мертвым грузом, который никак не использовался для повышения производительности батареи», — сказал И Цуй, руководивший исследованиями.
В основном литий-ионные батареи оснащены двумя токосъемниками, по одному на каждый электрод. Они распределяют ток, поступающий на электрод или выходящий из него, и могут составлять до 50% веса, в зависимости от типа батареи. Поэтому было бы желательно иметь более легкие коллекторы. Это особенно заметно в электромобилях, которым, кроме всего прочего, приходится перевозить и саму батарею. Таким образом, вес батареи оказывает явное влияние на мощность автомобиля.
Это, конечно, давно хорошо известно ученым, и уже не раз предпринимались попытки уменьшить вес токосъемников, чтобы батареи в целом стали легче. Однако, как правило, все попытки не приводили к большому успеху. В результате батареи становились химически более нестабильными, нужно было увеличивать долю электролита, что приводило к более высоким производственным затратам. Ученые попытались также повысить безопасность, добавив в электролит огнестойкий материал, однако он отрицательно сказывался на проводимости электролита.
В конце концов команде И Цуй удалось разработать легкий полимер под названием полиимид, который устойчив к огню и выдерживает высокие температуры, возникающие в результате быстрой зарядки аккумулятора. Исследователи также ввели в полимер огнеупорный трифенилфосфат (ТФФ), который затем покрыли ультратонким медным слоем с обеих сторон. Медь служит, с одной стороны, для распределения тока, а с другой — для защиты полимера. Испытания этого нового токосъемника показали поразительные результаты: он примерно на 80% легче, чем аналогичные модели, что позволило увеличить удельную энергоемкость батареи на 16-26%. При этом не отмечено никакого негативного влияния на электропроводность.
По мнению ученых, новая технология хорошо зарекомендовала себя и в области безопасности. Для сравнения: если обычную батарейку подержать над пламенем зажигалки, то она быстро воспламеняется и горит до тех пор, пока не выгорит весь электролит. С новыми литий-ионными батареями дело обстоит совсем по-другому. Здесь в такой же ситуации сначала появилось всего лишь очень слабое пламя, которое через несколько секунд погасло само по себе.
Кстати, исследователи описывают возможное производство новой батареи как несложное. Кроме того, она должна быть дешевле, чем ее проверенные предшественники, так как часть меди заменяется более дешевым полимером. Патент уже подан.
Команда исследователей поделилась своей работой в журнале Nature Energy Today.
Источник: https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/durchbruch-bei-feuerfesten-lithium-ionen-batterien-erzielt/?fbclid=IwAR19wCtgAJ7E-65acBIi3rtaT-UxbzVNPvV7mlOOYg1NHPmVi_8D0suajss