Хорошая батарея должна обладать двумя качествами: высокой плотностью энергии для питания устройств и стабильностью, позволяющей безопасно и надежно перезаряжать ее тысячи раз. На протяжении последних трех десятилетий литий-ионные аккумуляторы занимали лидирующие позиции, доказав свою эффективность в смартфонах, ноутбуках и электромобилях. Однако исследователи аккумуляторов подобрались, кажется, к границам возможностей литий-ионных батарей. В связи с появлением на рынке дальнобойных автомобилей и электросамолетов нового поколения активизируется поиск более безопасных, дешевых и мощных аккумуляторных систем, превосходящих литий-ионные. Группа исследователей из Технологического института Джорджии под руководством Мэтью Макдауэлла, доцента Школы машиностроения имени Джорджа Вудруфа и Школы материаловедения и инженерии, использует алюминиевую фольгу для создания батарей с более высокой плотностью энергии и стабильностью. Новая система аккумуляторов, о которой группа авторов подробно рассказала в журнале Nature Communications, может позволить электромобилям дольше работать от одного заряда, будет дешевле в производстве и при этом окажет положительное влияние на окружающую среду.
Идея создания батарей на основе алюминия не нова. Исследователи изучали ее возможности в 1970-х годах, но ничего хорошего из этого не вышло. При использовании в обычных литий-ионных аккумуляторах алюминий разрушается и выходит из строя в течение нескольких циклов заряда-разряда из-за расширения и сжатия, когда литий входит и выходит из материала. Разработчики пришли к выводу, что алюминий не может быть использован в качестве материала для аккумуляторов, и от этой идеи в основном отказались. Теперь на рынке появились твердотельные батареи. Если литий-ионные батареи содержат легковоспламеняющуюся жидкость, которая может привести к пожару, то твердотельные батареи содержат твердый материал, который не воспламеняется и, следовательно, является более безопасным. Кроме того, твердотельные батареи позволяют интегрировать новые высокоэффективные активные материалы, как показано в данном исследовании. Проект начался как сотрудничество между командой Georgia Tech и компанией Novelis, ведущим производителем алюминия и крупнейшим в мире переработчиком алюминия, в рамках Novelis Innovation Hub в Georgia Tech. Исследовательская группа знала, что использование алюминия в качестве материала для анода батареи — отрицательно заряженной части батареи, которая накапливает литий для получения энергии, — будет иметь энергетические, стоимостные и производственные преимущества, однако чистые алюминиевые фольги быстро выходили из строя при испытаниях в батареях. Команда решила применить другой подход. Вместо чистого алюминия в фольгу добавляли небольшое количество других материалов, чтобы создать фольгу с определенной «микроструктурой», или расположением различных материалов. Они протестировали более 100 различных материалов, чтобы понять, как они будут вести себя в батареях.
Команда заметила, что алюминиевый анод может хранить больше лития, чем обычные анодные материалы, и, следовательно, больше энергии. В итоге были созданы батареи с высокой плотностью энергии, которые в перспективе могут превзойти литий-ионные батареи.
Электросамолеты малой дальности разрабатываются несколькими компаниями, но ограничивающим фактором являются батареи. Современные аккумуляторы не вмещают достаточно энергии для обеспечения полетов самолетов на расстояния более 150 миль или около того. Необходимы новые химические составы батарей, и батареи с алюминиевым анодом, созданные группой Макдауэлла, могут открыть дверь к более мощным технологиям батарей.
В настоящее время группа работает над увеличением размеров батарей, чтобы понять, как размер влияет на поведение алюминия. Группа также активно изучает другие материалы и микроструктуры с целью создания очень дешевых фольг для аккумуляторных систем.
19.07.2023 |
Энергия
PNAS Nexus: Ученые воссоздали в лаборатории ключевой элемент фотосинтеза | |
Человек научился делать многое, но у ... |
J. Mater. Chem. A: Литий-ионные батареи станут безопаснее и эффективнее | |
Новое объяснение эффекта этиленкарбоната ... |
EPSR: ИИ повысит надежность электросетей с учетом роста энергопотребления | |
Из-за распространения возобновляемых источнико... |
APL: Исследователи изучают фотоэлектрический феномен в перспективном материале | |
Необычный фотовольтаический эффект, BPV, в&nbs... |
Frontiers in Energy: Катализатор Fe-N-C превзойдет платину в топливных элементах | |
Топливные элементы и металловоздушные бат... |
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам | |
Исследователи разработали методику создания сл... |
В Пермском Политехе создали установку для исследования новых видов топлива | |
Учёные исследуют новый вид горючего ... |
Chemistry of Materials: Открыт перспективный твердый электролит из наночастиц | |
Аккумуляторы играют важную роль в совреме... |
Водные системы могут помочь ускорить внедрение возобновляемых источников энергии | |
Системы водоснабжения помогают сделать возобно... |
Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей | |
Литий-ионные батареи широко используются в&nbs... |
JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x | |
Пьезокатализ — перспективная эколог... |
NatSustain: Новый материал катода может произвести революцию в хранении энергии | |
Недорогой катод, который может улучшить литий-... |
eScience: С помощью реактивной химии ученые создали анод без дендритов | |
Металлические калиевые батареи, МБК &mdas... |
Система искусственного фотосинтеза производит этилен с высочайшей эффективностью | |
Чтобы использовать CO₂ для создания эколо... |
NatComm: Инженеры создают долговечный и дешевый электролит для аккумуляторов | |
Возобновляемые источники энергии, такие как&nb... |
В ЛЭТИ создали цифрового двойника для оптимизации солнечных электростанций | |
Рост населения и развитие технологий прив... |
EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо | |
Новый метод переработки бикарбонатного раствор... |
ACS Energy Letters: Новую батарею можно резать, можно бить — все равно работает | |
В большинстве аккумуляторов для портативн... |
Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу | |
Углеродный след богатых людей в обществе ... |
Учёные НИУ МЭИ создали энергоустановку на основе бионических технологий | |
Исследователи создали энергоустановку для ... |
Кремний с высокой площадью поверхности улучшает реакцию CO2 на свету | |
Учёные работают над превращением углекисл... |
В ЛЭТИ улучшили свойства материала для более долговечных солнечных батарей | |
Исследователи создали наноматериалы, которые с... |
Nature Electronics: Создан напалечный трекер здоровья, черпающий энергию из пота | |
Устройство, работающее от пота, позволяет... |
Nature Sustainability: Электролиты на основе нафталина пригодятся для батарей | |
ORAM — это органические редокс... |
Science: В США разрабатывают метод переработки лопастей ветряных турбин | |
Исследователи из Национальной лаборатории... |
Терагерцовая спектроскопия позволяет следить за старением перовскитовых пленок | |
Гибридные перовскиты могут использоваться в&nb... |
Scientific Reports: Создан новый храповик с геометрически симметричной шестерней | |
Храповой механизм — это систем... |
Инженеры MIT разрабатывают крошечные батареи для питания роботов | |
Маленькие словно песчинки цинково-воздушные ба... |
JPE: Листоподобные концентраторы повысят эффективность солнечной энергии | |
Люминесцентный солнечный концентратор, ил... |
Учёные ТПУ разработали катализатор для водорода, который в 7 раз лучше аналогов | |
Учёные молодёжной лаборатории ТПУ совмест... |