Аккумуляторы из хлора: в чем преимущества новинки

В процессе экспериментов с архитектурой одноразовых батарей десятилетней давности ученые случайно создали новый перезаряжаемый аккумулятор. Прототип предлагает увеличенную емкость, которая шестикратно превосходит емкость нынешних литий-ионных аналогов, и это прорыв.

В работе, опубликованной в журнале Nature, новый аккумулятор описан как щелочная батарея с хлором. В ее основе — литий-тионилхлорид, впервые открытый учеными еще в 1970-х годах. Такие батареи ценились за большую плотность энергии (количество энергии, которое аккумулятор способен запасти), но из-за использования высокореактивного хлора они не годились для многоразового применения.

Перезаряжаемая аккумуляторная батарея немного напоминает по принципу кресло-качалку. Электроны перемещаются в одном направлении во время разряда, но затем возвращаются обратно, когда вы заряжаете батарею. То есть перезарядка стабилизирует (возвращает в исходное состояние) химический состав. В одноразовых аккумуляторах состав не восстанавливается.

Почему никто еще не разработал эффективные перезаряжаемые хлорные батареи? Дело в том, что хлорид натрия и хлорид лития превращаются в хлор. А он, в свою очередь, высокореактивен и его проблематично превратить обратно в хлорид с большой эффективностью. В тех редких случаях, когда ученые достигали перезаряжаемости, экспериментируя с составом, характеристики такого аккумулятора оказывались низкими.

В перезаряжаемых аккумуляторах химический состав обратимый, тогда как в одноразовых он не возвращается в исходное состояние. В новых хлорных батареях ученые смогли получить обратимый состав и высокую плотность энергии — этого не могли добиться на протяжении многих лет

Создатели прототипа изначально не планировали разрабатывать перезаряжаемые хлорные аккумуляторы, а просто занимались усовершенствованием существующей технологии на основе тионилхлорида. Но в одном из опытов исследователи заметили, что химический состав батареи стабилизировался, что привело к ее перезарядке.

Несколько лет ученые выясняли обратимый химический состав и пробовали применять разные материалы для катода, пытаясь достичь большей эффективности. Прорывным оказался электрод из пористого углерода со структурой наносферы.

На практике такие полые сферы работают как губка: молекулы хлора всасываются в поры и сохраняются там, когда батарея заряжена. Затем, когда нужна перезарядка, аккумулятор можно разрядить и преобразовать хлор в NaCl, повторяя этот процесс на протяжении большого количества циклов. Сейчас циклов может быть до 200, и технологию еще можно улучшить. Для сравнения: литий-ионная батарея может проработать 500–1000 циклов.

Светодиодная лампа питается от прототипа перезаряжаемой батареи, использующей натрий-хлорную основу. Изображение: Stanford University/Guanzhou Zhu

Исследователи достигли плотности 1200 мАч/г, в то время как плотность современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов составляет до 200 мАч/г.

Создатели новинки рассчитывают приблизиться к разработке высокопроизводительного аккумулятора, который даст возможность заряжать современные смартфоны раз в неделю вместо ежедневной зарядки, а электромобили с ней смогут проехать в шесть раз больше на одном заряде аккумулятора. А в настоящее время прототип уже может пригодиться для применения в компактной электронике/