Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.
Российские ученые синтезировали полимерные материалы, которые помогут ускорить зарядку аккумуляторов в разы и сделать их более безопасными для окружающей среды
Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.
По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.
Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.
«Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда. Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.
Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps.
Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).
«Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считанные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», — отмечает Олег Левин.
Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который необязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.
«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.
Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет.
Низкая эффективность литий-ионных
аккумуляторов стала одним из главных препятствий на пути повышения дальности
пробега автомобилей, появления летающих такси и увеличения автономности современной мобильной техники. Решить проблему попытались
американские учёные, напечатавшие на 3D-принтере новый тип
аккумулятора, ёмкость которого в 10 раз выше по сравнению с традиционными
батарейками.
Технология создания цинковых
аккумуляторов на основе оксида серебра не нова. Однако одной из известных проблем на
пути её реализации считается нестабильность, приводящая к риску возникновения
пожара и выходу батарейки из строя. Команда Калифорнийского университета в Сан-Диего использовала в
качестве катода покрытие из оксида свинца, улучшающее электрохимическую
стабильность и проводимость батареи.
Печать
батарейки производится в стерильных условиях в вакууме, что позволяет избежать
окисления материалов. В ходе длительных экспериментов была разработана формула чернил, на
основе которой можно напечатать гибкий аккумулятор при помощи 3D-принтера.
На полимерную плёнку с температурой 200 градусов по Цельсию наносятся несколько слоёв из
цинкового анода, катода и других составляющих.
Результат — гибкий аккумулятор ёмкостью 50 миллиампер на квадратный сантиметр. Исследователи
заявляют, что это в 10-20 раз выше, чем у типичной литий-ионной батарейки. При
этом устройство может обеспечить в 5-10 раз больше энергии, а после 80 циклов зарядки аккумулятор не теряет своей ёмкости.
«Такого
рода ёмкость никогда не была зафиксирована раньше. Наши батареи могут быть спроектированы вокруг электроники вместо того, чтобы электроника проектировалась на основе батарей, а метод производства доступен
и масштабируем», — делятся итогами работы
исследователи.
Учёные из Китая и Австралии объединились для разработки дешёвой натрий-серной батареи, у которой ёмкость на 400% больше литий-ионной. В дополнение к этому она продемонстрировала впечатляющий результат сохранения своего ресурса после тысячи циклов зарядки.
У современных натрий-серных батарей есть пара недостатков: короткий жизненный цикл и ограниченная ёмкость, что препятствует их практическому применению в коммерческих целях. Однако международная команда додумалась использовать электроды на основе углерода и процесс термического разложения, известный как пиролиз, для изменения реакций между серой и натрием. В результате получилась натрий-серная батарея с ёмкостью 1017 мАч/г при комнатной температуре, что в 4 раза превосходит возможности литий-ионных аналогов. После 1000 циклов зарядки элемент сохранил около половины своего изначального ресурса. К тому же натрий, в отличие от дефицитного лития, добывается из обычной морской воды.
Пока что технология показала себя лишь в батарейках типа «таблетка» в рамках лабораторных испытаний. В настоящий момент исследователи работают над масштабированием своей разработки.
NASA давно работает над созданием аккумулятора, который сможет заменить литий-ионные АКБ в промышленности и транспортных средствах. Помимо увеличения ёмкости, одна из главных задач исследования — оптимизация соотношения мощности и массы аккумулятора. Недавно исследователи смогли добиться первых результатов.
Учёные в момент испытаний новой АКБ
Все работы по созданию АКБ проходят в рамках проекта SABERS. Его главная задача — создание долговечной и безопасной твердотельной батареи с возможностью применения в летательных аппаратах.
Для начала учёные попытались отказаться от лития и использовали вместо привычных материалов серу и селен — это позволило оптимизировать массу батареи путём более плотной укладки ячеек. Если раньше каждый аккумулятор нужно было устанавливать в отдельном стальном корпусе, то теперь ячейки можно размещать друг на друге в общей капсуле.
Так учёным удалось довести показатель мощности на килограмм до значения 500 Втч. У литий-ионных аналогов этот показатель достигает только 250 Втч на кг. Помимо структурных изменений, прототипы новых АКБ предлагают качественно новые характеристики в сравнении с литий-ионными аналогами:
- Выдерживают в два раза большее давление.
- Не загораются от физического воздействия.
- Температурный порог в два раза выше.
- Разряжаются в 10 раз медленнее.
Такие преимущества приближают NASA к созданию безопасной и ёмкой АКБ для самолётов, как к одной из главных целей проекта SABERS.
Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps.
Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.
По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.
Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.
«Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда. Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.
Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.
Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).
«Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», — отмечает Олег Левин.
Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.
«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.
Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 16-13-00038.
