Как самовосстанавливающиеся материалы могут обеспечить более долговечные батареи
Одной из самых сложных задач в борьбе с изменением климата является поиск способов хранения энергии из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца. В отличие от ископаемого топлива, которое хранит энергию в химических связях, возобновляемая энергия более недолговечна и ее сложнее эффективно хранить. Эрик Детси, доцент кафедры материаловедения и инженерии, считает, что ответ кроется в более совершенных аккумуляторах. Однако имеющиеся в настоящее время батареи недостаточно мощны, чтобы удовлетворить потребности в энергии будущего. По оценкам Международного энергетического агентства, к 2030 году емкость аккумуляторных батарей во всем мире должна увеличиться в шесть раз. Подробностями поделилось издание Knowridge Science Report.
Современные батареи, будь то одноразовые щелочные батареи в бытовых гаджетах или перезаряжаемые литий-ионные батареи в электромобилях, используют твердые материалы, такие как оксиды металлов или графит, для своих электродов — компонентов, через которые движутся ионы во время зарядки и разрядки. Но вот в чем проблема: каждый раз, когда аккумулятор заряжается или разряжается, эти твердые материалы расширяются и сжимаются, иногда на целых 300%. Постоянное расширение и сжатие со временем приводит к повреждению, поэтому даже аккумуляторные батареи со временем теряют емкость и выходят из строя.
Детси и его команда изучают новые материалы для аккумуляторов, способных хранить большие количества лития, натрия и магния, которые необходимы для высокопроизводительных аккумуляторов. Однако, чем больше этих элементов может удерживать материал батареи, тем больше он расширяется и сжимается во время использования, что приводит к значительному износу.
Некоторые исследователи, включая покойного лауреата Нобелевской премии Джона Гуденафа, начали разрабатывать батареи с жидкими электродами, которые не трескаются под давлением. Однако жидкие электроды сопряжены с рядом проблем, например, с необходимостью безопасного производства и использования батарей, которые ведут себя как наполненные водой шарики. Это означает, что простое создание более крупных или жидкостных батарей не решит проблему. Для создания батарей будущего нужны совершенно новые материалы.
Другая проблема заключается в том, что элементы, обычно используемые в аккумуляторных батареях, такие как литий и кобальт, становятся все более дорогими и часто связаны с нарушениями прав человека. Например, кобальт, который имеет решающее значение для производства батарей, в основном поставляется из Демократической Республики Конго, где условия труда ужасны.
Исследования Деци сосредоточены на создании батарей с использованием более распространенных и менее этически проблемных материалов, среди которых магний. Эти элементы имеются в изобилии, особенно в США, где находится большая часть мировых запасов, в том числе соли.
Чтобы решить проблему деградации аккумулятора, группа Деци разрабатывает электроды, которые могут переходить из твердого состояния в жидкое. Это позволяет материалу «исцелять» себя, избегая повреждений во время циклов зарядки, оставаясь при этом простым в производстве.
Например, команда Детси продемонстрировала самовосстанавливающуюся батарею, используя анод из смеси магния и галлия, которая имеет низкую температуру плавления. Этот сплав может переходить из твердого состояния в жидкое, восстанавливаясь в процессе зарядки. В 2019 году его лаборатория показала, что эти самовосстанавливающиеся аноды могут выдерживать более 1000 циклов зарядки, что в пять раз дольше, чем традиционные магний-ионные батареи.
Ранее в этом году они пошли еще дальше, применив галлий-индиевый анод, который плавится при комнатной температуре, что сделало его более пригодным для коммерческого использования. Этот экспериментальный анод выдержал 2000 циклов зарядки, сохранив 91% своей емкости аккумулятора, что является значительным улучшением по сравнению с существующей технологией. Для сравнения, iPhone 15 может выдержать 1000 циклов зарядки, сохранив 80% емкости.
Чтобы лучше понять, как работают эти материалы, команда Детси использовала передовые методы визуализации, такие как рентгеновская дифракция и криогенная сканирующая электронная микроскопия, которые позволяют им подробно изучать процесс самовосстановления.
Почти десять лет назад, когда Детси впервые предложил идею самовосстанавливающихся натрий- и магний-ионных аккумуляторов, эта концепция не была воспринята всерьез. Но сегодня, с ростом числа стартапов, ориентированных на натрий-ионные аккумуляторы, его идеи набирают обороты.
Это инновационное исследование может проложить путь к созданию более долговечных и устойчивых аккумуляторов, которые имеют решающее значение для нашего энергетического будущего.
Источник: knowridge.com
Источник изображения: pixabay.com
Современные батареи, будь то одноразовые щелочные батареи в бытовых гаджетах или перезаряжаемые литий-ионные батареи в электромобилях, используют твердые материалы, такие как оксиды металлов или графит, для своих электродов — компонентов, через которые движутся ионы во время зарядки и разрядки. Но вот в чем проблема: каждый раз, когда аккумулятор заряжается или разряжается, эти твердые материалы расширяются и сжимаются, иногда на целых 300%. Постоянное расширение и сжатие со временем приводит к повреждению, поэтому даже аккумуляторные батареи со временем теряют емкость и выходят из строя.
Детси и его команда изучают новые материалы для аккумуляторов, способных хранить большие количества лития, натрия и магния, которые необходимы для высокопроизводительных аккумуляторов. Однако, чем больше этих элементов может удерживать материал батареи, тем больше он расширяется и сжимается во время использования, что приводит к значительному износу.
Некоторые исследователи, включая покойного лауреата Нобелевской премии Джона Гуденафа, начали разрабатывать батареи с жидкими электродами, которые не трескаются под давлением. Однако жидкие электроды сопряжены с рядом проблем, например, с необходимостью безопасного производства и использования батарей, которые ведут себя как наполненные водой шарики. Это означает, что простое создание более крупных или жидкостных батарей не решит проблему. Для создания батарей будущего нужны совершенно новые материалы.
Источник изображения: pixabay.com
Другая проблема заключается в том, что элементы, обычно используемые в аккумуляторных батареях, такие как литий и кобальт, становятся все более дорогими и часто связаны с нарушениями прав человека. Например, кобальт, который имеет решающее значение для производства батарей, в основном поставляется из Демократической Республики Конго, где условия труда ужасны.
Исследования Деци сосредоточены на создании батарей с использованием более распространенных и менее этически проблемных материалов, среди которых магний. Эти элементы имеются в изобилии, особенно в США, где находится большая часть мировых запасов, в том числе соли.
Чтобы решить проблему деградации аккумулятора, группа Деци разрабатывает электроды, которые могут переходить из твердого состояния в жидкое. Это позволяет материалу «исцелять» себя, избегая повреждений во время циклов зарядки, оставаясь при этом простым в производстве.
Например, команда Детси продемонстрировала самовосстанавливающуюся батарею, используя анод из смеси магния и галлия, которая имеет низкую температуру плавления. Этот сплав может переходить из твердого состояния в жидкое, восстанавливаясь в процессе зарядки. В 2019 году его лаборатория показала, что эти самовосстанавливающиеся аноды могут выдерживать более 1000 циклов зарядки, что в пять раз дольше, чем традиционные магний-ионные батареи.
Ранее в этом году они пошли еще дальше, применив галлий-индиевый анод, который плавится при комнатной температуре, что сделало его более пригодным для коммерческого использования. Этот экспериментальный анод выдержал 2000 циклов зарядки, сохранив 91% своей емкости аккумулятора, что является значительным улучшением по сравнению с существующей технологией. Для сравнения, iPhone 15 может выдержать 1000 циклов зарядки, сохранив 80% емкости.
Чтобы лучше понять, как работают эти материалы, команда Детси использовала передовые методы визуализации, такие как рентгеновская дифракция и криогенная сканирующая электронная микроскопия, которые позволяют им подробно изучать процесс самовосстановления.
Почти десять лет назад, когда Детси впервые предложил идею самовосстанавливающихся натрий- и магний-ионных аккумуляторов, эта концепция не была воспринята всерьез. Но сегодня, с ростом числа стартапов, ориентированных на натрий-ионные аккумуляторы, его идеи набирают обороты.
Это инновационное исследование может проложить путь к созданию более долговечных и устойчивых аккумуляторов, которые имеют решающее значение для нашего энергетического будущего.
Источник: knowridge.com
