Литиевые аккумуляторы 2.0
Ученые исследовательского центра Nokia Bell Labs разработали сверхплотные литиевые аккумуляторы для мобильных устройств. В сравнении с классическими литий-ионными батареями емкость новой разработки оказалась выше в 2,5 раза при идентичных габаритах. Это означает, что все автономные устройства смогут работать значительно дольше от одного заряда, но при этом не увеличатся в размерах.
В создании технологии специалистам Nokia Bell Labs помогали эксперты центра Advanced Materials and BioEngineering Research (AMBER), расположенного в Дублине. Как отметили сами разработчики, их изобретение найдет свое применение в смартфонах, ноутбуках, планшетных компьютерах, устройствах умного дома и интернета вещей, а также в дронах и электромобилях.
Особенность технологии
Разработка Nokia Bell Labs и AMBER не меняет принцип работы литийсодержащих элементов питания. Ученые предложили лишь снизить толщину анодов и катодов до минимально возможной величины, пояснив, что уменьшение содержания в АКБ так называемого «постороннего железа» увеличит объем электролита для накопления большего количества энергии. Свои тезисы они опубликовали в издании Nature Energy.
Свою теорию ученые смогли доказать в ходе исследования. Они решили проблему возможной потери механической прочности электродов и роста их сопротивления при уменьшении толщины путем разработки специального материала для использования в качестве анода и катода. В ходе экспериментов им удалось снизить толщину электродов до 800 мкм.
Параметры используемого материала специалисты раскрывать не стали, ограничившись информацией о том, что он композитный, и что в нем используется сетка из углеродных нанотрубок в соединении с одним из традиционных материалов, способных удерживать литий. К таким материалам относятся, в частности, кремний или графит.
Теоретический прорыв
Применение композитного материала позволила разработчикам добиться роста проводимости электродов до 104 (Ом*м)-1 – по состоянию на июнь 2019 г. это рекордно высокое значение. По словам сотрудников Nokia Bell Labs и AMBER, им удалось приблизиться к теоретическому пределу данного значения.
Подобное достижение позволит начать производство электродов удельной емкостью 45 и 30 мАч/см2 для анодов и катодов соответственно, что приведет к росту плотности энергии в аккумуляторов до 480 Втч/кг. При этом физические габариты батарей не увеличатся, что и позволит использовать их в карманных устройствах.
Коммерциализация технологии
Разработка Nokia Bell Labs и AMBER, по заверениям ученых, не останется простой теорией. Заявка на получение соответствующего патента сформирована и передана в регулирующие органы на рассмотрение. В планы специалистов входит запуск серийного производства аккумуляторов повышенной плотности в обозримом будущем, однако точные сроки представители исследовательских центров пока не уточняют.
Конкурирующие разработки
Литийсодержащие батареи повышенной плотности за авторством Nokia Bell Labs и AMBER – это лишь один из множества видов аккумуляторов, в перспективе способных заменить классические литий-ионные АКБ. К примеру, еще в 2014 г. были разработаны АКБ с кремниевым анодом, который позволит в 10 раз увеличить емкость этих элементов питания по сравнению с современными решениями. По прошествии пяти лет технология не получила широкого распространения.
К современным решениям в области элементов питания относятся аккумуляторы с твердым электролитом, производство которых стартовало в Китае еще в ноябре 2018 г. Конвейер запустил китайский стартап Qing Tao (Kunshan) Energy Development, готовый к выпуску твердотельных АКБ плотностью энергии до 400 Втч/кг. Это лишь на 80 Втч/кг меньше в сравнении с решением, предложенным Nokia Bell Labs и AMBER.
В декабре 2018 г. две группы американских ученых практически одновременно нашли два разных способа полного отказа от использования лития в аккумуляторах, что позволит снизить их себестоимость и уменьшить потенциальное негативное воздействие на окружающую среду. Первой оказалась команда ученых из Калифорнийского технологического университета, которые под руководством лауреата Нобелевской премии 2005 г. по химии Роберта Граббса (Robert Grabbs) разработали новый вид аккумуляторных батарей. В них в качестве основного вещества используется не литий, а фторид (химическое соединение фтора с другими элементами). По словам ученых, использование этого материала в мобильных аккумуляторах позволит заряжать смартфоны в восемь раз реже, чем сейчас. Результаты своих исследований они отразили в статье, опубликованной в журнале Science.
Спустя несколько дней ученые Иллинойского университета в Чикаго представили свое видение аккумуляторов будущего. Они разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода. В батарее, созданной учеными, используется разработанный ими на основе оксида магния и хрома (MgCr2O4) неупорядоченный материал толщиной порядка 5 нанометров. Его характеризует в первую очередь низкая температура реакции при высокой скорости этой самой реакции. На практике это даст возможность не опасаться перегрева аккумулятора в мобильном устройстве в жаркий летний день или в процессе подзарядки.
Поделиться
