Крупногабаритные аккумуляторы для долгосрочного хранения солнечной и ветряной энергии играют ключевую роль в интеграции обильных и возобновляемых источников энергии в энергосистему США. Однако существует нехватка безопасных и надёжных аккумуляторных технологий, которые могли бы способствовать переходу к устойчивой и чистой энергетике. Теперь исследователи, опубликовавшие статью в ACS Central Science, разработали экономически эффективную и экологически чистую алюминиево-ионную (Al-ion) батарею, которая может соответствовать этим требованиям.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы используются во многих распространённых видах бытовой электроники, в том числе в электроинструментах и электромобилях. Эти аккумуляторы широко распространены благодаря высокой плотности энергии. Но литий-ионные аккумуляторы слишком дороги для крупных систем хранения энергии, необходимых для коммунальных предприятий, а их воспламеняемость представляет значительную угрозу безопасности.
К потенциальным заменителям надёжных систем хранения энергии на длительный срок относятся перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы. Однако их наиболее распространённый электролит, жидкий хлорид алюминия, вызывает коррозию алюминиевого анода и очень чувствителен к влаге, что усугубляет коррозию. Оба фактора приводят к низкой стабильности и снижению электрических характеристик с течением времени. Поэтому Вэй Ван, Шуцян Цзяо и их коллеги хотели разработать улучшенный литий-ионный аккумулятор без этих недостатков.
Команда исследователей добавила инертную соль фторида алюминия в электролит, содержащий ионы алюминия, превратив его в твёрдотельный электролит. Соль фторида алюминия имеет трёхмерную пористую структуру, позволяющую ионам алюминия легко перемещаться по электролиту и повышающую проводимость. Кроме того, при создании литий-ионной батареи исследователи использовали карбонат фторэтилена в качестве межфазной добавки для создания тонкого твёрдого покрытия на электродах, чтобы предотвратить образование кристаллов алюминия, которые ухудшают работу батареи.
В ходе экспериментов была повышена влагостойкость аккумулятора, а также его физическая и термическая стабильность, что позволило ему выдерживать многократные удары острым предметом и температуру до 392 градусов по Фаренгейту. Твердотельный литий-ионный аккумулятор также отличается исключительно длительным сроком службы: он выдерживает 10 000 циклов зарядки-разрядки, теряя при этом менее 1% своей первоначальной емкости.
Более того, большую часть алюминиевого фторида можно было бы извлечь с помощью простой промывки, а затем переработать в другую батарею с немного сниженными характеристиками. Новая батарея могла бы снизить стоимость производства литий-ионных аккумуляторов и продлить срок их службы, тем самым повысив их практичность.
«Эта новая конструкция литий-ионного аккумулятора демонстрирует потенциал для создания долговечной, экономичной и безопасной системы хранения энергии. Возможность восстановления и переработки ключевых материалов делает эту технологию более экологичной», — говорит Ван. Исследователи добавляют, что для коммерциализации необходимы дальнейшие улучшения в плане плотности энергии и жизненного цикла.