Аккумуляторы тоже бывают «вегетарианскими»: почему они лучше обычных?

Растущая потребность в более высокой емкости аккумуляторов, быстрой скорости зарядки, длительном сроке службы и низкой себестоимости требует новых решений в этой области. Да, литий-ионные батареи компактные и выдерживают большое количество циклов зарядки/разрядки. 

При этом у батарей, представленных в настоящее время на рынке, электроды довольно большой толщины и они лимитируют количество энергии, которое способны сохранять и выделять. Казалось бы, наоборот — чем толще электроды, тем больше энергии хранит и отдает батарея. Но есть загвоздка: из-за этого диффузия ионов лития через электрод ограничена, а сами аккумуляторы более склонны к растрескиванию, после которого их больше нельзя использовать.

С целью преодоления этих ограничений команда инженеров из Университета Глазго предусмотрела миниатюрные наноразмерные отверстия в электродах и в поверхности батареи. Это увеличило площадь поверхности электродов и внешней части аккумулятора без изменения внешних размеров и в конечном итоге помогло усилить емкость батареи.

Для создания батареи инженеры использовали 3D-печать, чтобы можно было делать поры строго определенного размера и в конкретных местах. 3D-принтер заправили специально разработанным материалом, состоящим из полимолочной кислоты, фосфата лития-железа и углеродных нанотрубок. Полимолочная кислота — биоразлагаемый материал из кукурузного крахмала, сахарного тростника и сахарной свеклы, что делает батарею пригодной для вторичной переработки.

В ходе эксперимента ученые напечатали три круглых электрода с разной толщиной: 100, 200 и 300 микрон, и каждый из них они тестировали, комбинируя материалы и меняя число углеродных нанотрубок, а также пористость. Лучше всех показала себя батарея с самым толстым электродом (300 микрон) и пористостью 70% — ее удельная емкость составила 151 мАч/г. Чем она выше, тем больше энергии может хранить батарея, и в новом аккумуляторе этот показатель в 2-3 раза превышает удельную емкость литий-ионного аккумулятора с обычным электродом аналогичной толщины.

Сами авторы разработки считают, что результаты многообещающие. У литий-ионных батарей все-таки есть проблемы с устойчивостью и они не экологичны, поэтому очень важно искать новые пути создания более безопасных и эффективных аккумуляторов. В конкретном случае 3D-печать позволяет получить контроль над пористостью электродов, а это дает возможность максимально точно разработать новый материал с микроархитектурой, способный устранить некоторые недостатки текущего поколения литий-ионных аккумуляторов. Полученные «вегетарианские» батареи обладают высокой удельной емкостью и отличной циклируемостью, а это уже немало.