Автор: В условиях растущего спроса на литий-ионные аккумуляторы и ограниченных запасов лития ученые ищут альтернативы литиевой технологии. Российские исследователи из Сколтеха, университета им. Д. И. Менделеева и Института проблем химической физики РАН синтезировали и испытали новые катодные материалы на полимерной основе для литиевых двухионных аккумуляторов. Испытания показали, что новые катоды выдерживают до 25 000 рабочих циклов и заряжаются за считанные секунды, тем самым превосходя по основным параметрам литий-ионные аккумуляторы.
Ценно также, что новейшие катоды могут использоваться для производства менее дорогих калиевых двухионных аккумуляторов.
Если литий-ионные аккумуляторы будут продолжать производиться во все возрастающих количествах, в мире могут закончиться запасы лития. Поскольку Конго производит 60% кобальта для катодов литий-ионных аккумуляторов, цены на кобальт могут взлететь до небес. То же самое относится и к литию, поскольку повышенный расход пресной воды при добыче лития представляет собой серьезную проблему для окружающей среды.
Команда российских ученых использовала перспективную постлитиевую двухионную технологию, основанную на электрохимических процессах с участием анионов и катионов электролита, чтобы добиться многократного увеличения скорости зарядки по сравнению с литий-ионными батареями.
Еще одним плюсом является то, что прототипы катодов были изготовлены из полимерных ароматических аминов, которые могут быть синтезированы из различных органических соединений.
«Наши предыдущие исследования касались полимерных катодов для сверхбыстрых аккумуляторов большой емкости, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд, но мы хотели большего», — говорит Филипп Александрович Обрезков, аспирант Сколтеха и первый автор статьи.
«Мы использовали различные альтернативы, в том числе линейные полимеры, в которых каждая мономерная единица связывается только с двумя соседями. В этом исследовании мы продолжили изучение новых разветвленных полимеров, где каждая единица связывается по крайней мере с тремя другими единицами. Вместе они образуют крупные сетчатые структуры, обеспечивающие более быструю кинетику электродных процессов. Электроды, изготовленные из этих материалов, демонстрируют еще более высокие скорости заряда и разряда».
Стандартный литий-ионный элемент заполняется литийсодержащим электролитом и разделяется на анод и катод сепаратором. В заряженной батарее большинство атомов лития включены в кристаллическую структуру анода. Когда батарея разряжается, атомы лития перемещаются от анода к катоду через сепаратор.
Российская команда изучала двухионные аккумуляторы, в которых электрохимические процессы включали катионы электролита (то есть катионы лития) и анионы, которые входят и выходят из структуры материала анода и катода соответственно.
Еще одна новая особенность заключается в том, что в некоторых экспериментах ученые использовали калиевые электролиты вместо дорогих литиевых для получения калиевых двухионных батарей.
Команда синтезировала два новых сополимера дигидрофеназина с дифениламином (PDPAPZ) и фенотиазином (PPTZPZ), которые они использовали для производства катодов.
В качестве анодов они использовали металлический литий и калий.
Поскольку основные характеристики этих прототипов батарей, называемых полуэлементами, приводятся в движение катодом, ученые собирают их для того, чтобы быстро оценить возможности новых катодных материалов.
В то время как полуэлементы PPTZPZ показали среднюю производительность, PDPAPZ оказался более эффективным: литиевые полуэлементы с PDPAPZ довольно быстро заряжались и разряжались, демонстрируя при этом хорошую стабильность и сохраняя до трети своей емкости даже после 25 000 рабочих циклов.
Если бы обычная батарея, используемая в мобильнике, была такой же стабильной, ее можно было бы заряжать и разряжать ежедневно в течение 70 лет.
Калиевые полуклетки PDPAPZ демонстрировали высокую плотность энергии-398 Втч/кг. Для сравнения, значение для обычных литиевых элементов составляет 200-250 Втч/кг, включая вес анода и электролита.
Таким образом, российская команда продемонстрировала, что полимерные катодные материалы могут быть использованы для создания эффективных литиевых и калиевых двухионных аккумуляторов.
Вместе с тем, если говорить о практическом производстве новых батарей, то здесь заслуживает внимания разработка американцами аккумулятора электромобиля, который может заряжаться за 10 минут, обеспечивая пробег в 250 миль на одном заряде.
Аккумуляторы EV изготавливаются из литий-железофосфата, который известен своей «непревзойденной безопасностью» и может быстро нагреваться и охлаждаться – ключ к быстрой зарядке и долгому сроку службы.
Они быстро нагреваются до 140°F для зарядки и разрядки, а затем остывают, когда батарея не используется.
Разработчики утверждают, что их батарея рассчитана на пробег автомобиля в 2 миллиона миль.
«При значительной ёмкости, эта батарея доступна по цене»,- утверждает Чао-Ян Ван из Университета штата Пенсильвания в США.
«Очень быстрая зарядка позволяет нам уменьшить размер батареи, не вызывая беспокойства о дальности действия».
По словам Ванга, эти батареи могут вырабатывать большое количество энергии при нагревании-40 киловатт-часов и 300 киловатт-часов мощности.
Электромобиль с такой батареей может разогнаться с нуля до 60 миль в час за три секунды, как новейший Porsche.
Новая батарея является литий-железофосфатным аккумулятором, но описывается как «термомодулированный LFP».