Японские исследователи разрабатывают магниево-воздушную батарею с графеновым катодом. Это дешевле, безопаснее и мощнее предыдущих систем.
Будь то электромобиль или аккумулятор энергии в подвале – литий-ионные аккумуляторы сейчас установлены практически везде. Проблема: литий редок, дорог, а цепочки поставок хрупкие.
Подробности читайте после объявления
Команда из японского университета Цукуба теперь представляет альтернативу, основанную на широко используемом и недорогом металле: магнии.
Исследователи создали перезаряжаемую магниево-воздушную батарею, которая явно превосходит предыдущие лабораторные системы по емкости, долговечности и безопасности.
Их результаты появились в специализированном журнале. Химико-технологический журнал.
Воздух как топливо для аккумулятора
Основной принцип звучит просто: батарея извлекает кислород непосредственно из окружающего воздуха и использует его в качестве реагента на катоде – положительном полюсе. Это означает, что этот материал не нужно хранить в самой батарее, что теоретически обеспечивает очень высокую плотность энергии.
Однако предыдущие попытки реализовать эту концепцию регулярно терпели неудачу из-за химического врага: ионы хлорида в электролите атаковали компоненты и делали батарею непригодной для использования после нескольких циклов зарядки.
Подробности читайте после объявления
Команда Ёсикадзу Ито и Хуа-Цзюнь Цю теперь взяла под контроль именно эту проблему долговечности. Вместо дорогих платиновых катодов исследователи используют трехмерную структуру из пористого графена, также обогащенного атомами азота.
Этот материал устойчив к воздействию хлоридов. При этом привычный жидкий электролит заменили на твердый полимерный гель – что исключает протечки с самого начала.
В три раза больше емкости платины
Результаты лабораторных исследований очевидны. Прототип с новым графеновым катодом хранил около 20 900 миллиампер-часов на грамм катодного материала. У сопоставимой батареи с платиновым катодом их было всего около 6000 – менее трети.
Была также большая разница в сроке службы: платиновая версия перестала работать примерно через 170 часов, а новый прототип проработал более 730 часов и выполнил 174 стабильных цикла зарядки.
Почему это так хорошо работает? Крошечные поры в графене — каждая размером всего от 100 до 150 нанометров — обеспечивают пространство для продуктов реакции, возникающих во время разряда.
В то же время открытая структура обеспечивает беспрепятственную циркуляцию кислорода и ионов. Оба вместе обеспечивают стабильность батареи в течение многих циклов.
Гибкий и герметичный
Особое преимущество полупроводниковой конструкции становится очевидным при воздействии механических напряжений. В ходе теста исследователи согнули батарею на угол до 120 градусов – без потери производительности или утечки электролита.
Это делает технологию интересной не только для жестких автомобильных аккумуляторов, но и для гибкой электроники или устройств, носимых на теле.
Магний – распространенный, дешевый и некритичный
В пользу нового подхода говорят не только чистые характеристики, но и требования к сырью. Магний примерно в тысячу раз чаще встречается в земной коре, чем литий. Тонна стоит около 2320 долларов – это лишь малая часть того, что стоит литий или даже платина.
Для потребителей это может означать более низкие цены на аккумуляторы и более стабильные цепочки поставок в долгосрочной перспективе, независимо от нескольких стран-производителей.
Несмотря на убедительные лабораторные данные, до повседневной жизни еще далеко. Сами исследователи указывают на слабое место: со временем на магниевом аноде образуется слой, который все больше препятствует прохождению тока.
Эта проблема, известная на техническом языке как формирование SEI, в настоящее время ограничивает общую продолжительность жизни.
Также отсутствует информация о конкретном времени зарядки, что имело бы решающее значение для водителей электромобилей на станции быстрой зарядки. Кроме того, сначала необходимо масштабировать производство от лабораторных масштабов до промышленных масштабов.
