Скорее всего, если у вас есть смартфон или ноутбук, большая часть вашей жизни вращается вокруг литий-ионной батареи. Также вероятно, что вы знаете о недостатках этой батареи: в конечном итоге она перестает удерживать заряд, не хватает лития, а добыча полезна для окружающей среды, а иногда и взрывается. И все же, подавляющее большинство бытовой электроники и устройств хранения чистой энергии полагаются на литий-ионные аккумуляторы, потому что сейчас нет лучшей альтернативы.
Ученые прилагают все усилия, чтобы найти другие варианты. В начале марта в статье, опубликованной в журнале Proceedings Национальной академии наук, описывался прорыв в попытках сделать калийную батарею. Калийные батареи считаются одними из лучших потенциальных конкурентов для литий-ионных батарей, потому что калий гораздо более распространен, чем литий, и батареи могут работать сравнимо - если устранить несколько препятствий.
«Неравномерное распределение и дефицит лития в земной коре делают использование литий-ионных батарей в качестве единственного источника накопления энергии крайне непрактичным и неэкономичным», - говорит соавтор исследования Нихил Кораткар, профессор машиностроения в Политехническом институте Ренсселера. OneZero. По его словам, предыдущие калийные батареи не работали так же хорошо, как литий-ионные технологии, но его команда уже нашла способ создать батарею, которая будет обеспечивать больше сока.
Во-первых, краткий обзор того, как работают батареи. Это химическая реакция, состоящая из двух электродов - положительного (катод) и отрицательного (анод) - с веществом, называемым электролитом, зажатым между ними. То, что мы называем «силой», - это поток электронов, вытекающих из отрицательного конца в положительную сторону. Подключение аккумулятора к устройству и его включение завершает цепь, которая позволяет этому потоку произойти.
Химический состав двух электродов является ключевым. В литий-ионном аккумуляторе положительный вывод выполнен из соединения лития и соединен с отрицательным выводом из графита. Литий легкий и особенно хорошо высвобождает свои электроны для захвата графита, поэтому он так хорошо работает. В калийной батарее положительный вывод сделан из (сюрприз!) Калия. Но поскольку калий тяжелый и, естественно, менее энергоемкий, говорит Кораткар, он не работает так же хорошо, как в паре с обычным отрицательным стержнем на основе графита.
Исследователи, пытающиеся изготовить калиевую батарею, обнаружили, что они могут обойти эту проблему, сделав как положительные, так и отрицательные выводы из калия. «Такие калий-металлические батареи могут конкурировать с коммерческими литий-ионными батареями», - говорит Кораткар.
Но есть, конечно, одна уловка, с которой другие исследователи, пытающиеся усовершенствовать калиевую батарею, столкнулись раньше. «Ахиллесова пята», говорит Кораткар, «любой металлической батареи заключается в эволюции и росте острых металлических выступов (так называемых дендритов), которые могут привести к короткому замыканию батареи и привести к пожару». Эти дендриты подобны жестким сорнякам, торчащим из бетона. Если они прорываются сквозь конструкции внутри батареи, это может привести к взрыву.
Именно здесь команда сделала свой прорыв. Вместо того, чтобы бороться с образованием дендритов, исследователи нашли способ просто сжечь их - процесс, который они мягко называют «самовосстановлением». Продолжая аналогию с сорняками, самоисцеление сродни периодическому подогреву тротуаров контролируемым образом, чтобы жарить сорняки в забвении. «К нашему удивлению, - говорит Кораткар, - мы обнаружили, что калий гораздо лучше поддается лечению, чем литий».
Если этот подвиг может быть воспроизведен другими исследователями, калийные батареи могут иметь шанс выбить ион лития с его трона. Конечно, у самонагревающихся батарей есть большой потенциал, чтобы что-то пошло не так, но команда показала, что это можно безопасно сделать контролируемым образом, по крайней мере, с небольшими батареями, которые были протестированы. Для дальнейшего рассмотрения вопросов безопасности и масштабов команда планирует попытаться воспроизвести эти результаты в более крупных батареях промышленного масштаба.
Потенциал для ионно-калиевых батарей огромен: они могут не только сделать его более экономичным для питания бытовой электроники, но также и для более крупных устройств, таких как электромобили; Кроме того, они могли бы обеспечить способ накопления энергии из зеленых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер. Волнение этими перспективами, по-видимому, отражено в исследовании, в котором ученые из России, Австралии и Японии опубликовали статьи о калий-ионных батареях всего за последние несколько месяцев.
Исследования других альтернатив также продолжаются. Кораткар грубо делит их на две группы в зависимости от семейства металлов, к которым они относятся в периодической таблице. Цинк - еще один дешевый металл, который, как и натрий, демонстрирует многообещающую (и интересную роль инвесторов) . В конечном счете, может случиться так, что ни одна батарея, а скорее целый ряд альтернатив, не возьмет на себя монополию литий-ионных батарей.