Ученые изобрели необычный способ модернизации литий-ионных аккумуляторов

Исследователи из департамента энергетики Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США обнаружили, как можно существенно улучшить литий-ионные аккумуляторы.

Сделать это предлагается весьма оригинальным способом, прибегнув в том числе и к самым неожиданным материалам — мылу и воску.

Как известно, к трем основным компонентам литий-ионного аккумулятора относятся два электрода — анод и катод, а также электролит. Положительно заряженный анод изготавливается из графита, а катод (заряжен отрицательно) часто выполняется из оксидов металлов — например кобальта и никеля. В свою очередь электролит — это литиевая соль в органическом растворителе.

Несмотря на свое широкое распространение, обычные литий-ионные батареи не могут похвастаться длительной работой после полной подзарядки, сохранением одинаковой работоспособности на протяжении всего жизненного цикла и тому подобным. В чем проблема? Возможно, в катоде. Хотя оксиды кобальта и никеля уже давно применяются при изготовлении отрицательных электродов батарей и в целом нормально справляются со своей функцией, специалистам американской лаборатории захотелось большего.

В первую очередь они рассмотрели дешевые металлы, которые в чем-то проигрывают кобальту и никелю, вроде марганца и железа, предложив их модернизировать. Второй важный момент — при изготовлении катодов они решили перейти от оксидов к фосфатам металлов, которые в теории должны работать стабильнее. В конечном счете эксперименты решено было проводить с фосфатом марганца-лития.

Раньше точно такие же мысли приходили в голову другим ученым, однако ничего путного из тех опытов не вышло. При том что в теории фосфат марганца-лития может обеспечить аккумулятору очень высокую емкость в 171 ма ч на грамм материала, до сих пор ученым удалось приблизиться к показателю лишь в 120 ма ч на грамм.

Раздумывая, куда деваются целых 30% емкости, американские исследователи пришли к выводу, что дело в молекулярной структуре катода. При изготовлении этого элемента аккумулятора традиционным способом его структура оказывается хаотичной, и потому электрод справляется со своей задачей не очень хорошо.

Чтобы сделать правильный катод, его структуру было решено усовершенствовать настолько, насколько это возможно. Для этого экспериментаторы смешали немного воска и мыла с компонентами электрода, доведя нагревание этой смеси до 400С. В результате парафин, состоящий из длинных прямых молекул, позволил молекулам металлов выстроиться в «линии». А олеиновая кислота (компонент мыла) помогла равномерному распределению кристаллов из них. Выполнив свою благородную миссию, вспомогательные материалы испарились. В то время как получившийся в результате катод начал удивлять своих творцов.

Лучший результат по емкости, максимально близкий к расчетному — 168 ма ч на 1 г материала, — был зафиксирован учеными при медленной зарядке и разрядке усовершенствованного аккумулятора в течение двух дней. И хотя у технологии есть недостаток в виде этой «тугодумности», ее авторы уже поспешили заявить, что при такой емкости будущие батареи смогут весить меньше стандартных аналогов. Кроме того, обещано, что время зарядки будет сокращаться, а сама методика продолжит развиваться.

«Воск и мыло обеспечивают среду для получения модернизированных материалов для катодов. Они позволяют легко экспериментировать с самыми разнообразными дешевыми материалами, которые до этого было трудно использовать в производстве катодов для литий-ионных аккумуляторных батарей», — комментирует разработку один из ее авторов, специалист по материаловедению Дейвон Чой. По его словам, в перспективе аккумуляторы с продвинутыми электродами станут недорогой и более эффективной альтернативой традиционным литий-ионным батареям.

Подготовлено по материалам: dkvartal.ru