Исследователи Пекинского университета недавно добились значительного прогресса в производстве алюминиево-ионных аккумуляторов. В ходе экспериментов специально разработанная батарея потеряла менее одного процента своей зарядной емкости за 10 000 циклов зарядки.
Эффективные варианты хранения энергии являются ключевым фактором энергетического перехода – значительного структурного изменения в энергетической системе. Излишки энергии солнца и ветра необходимо надежно хранить, чтобы извлечь максимальную пользу из возобновляемых источников энергии. Текущие разработки не отвечают необходимым требованиям. Литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время являются наиболее распространенными устройствами хранения энергии, трудно масштабировать по причинам стоимости.
Поэтому необходимы новые формы батарей. Наука уже давно занимается этой проблемой. Теперь исследователи из Китая добились прорыва в исследованиях алюминиево-ионных аккумуляторов.
В предыдущих исследованиях уже изучался потенциал алюминия как компонента систем хранения энергии. Например, в октябре 2023 года сообщалось о проведенном в США исследовании твердотельной батареи, плотность энергии которой можно было бы значительно увеличить за счет использования алюминия.
В то время еще не было возможности использовать чистый алюминий в устройствах накопления энергии. Новое исследование, опубликованное в журнале ACS Central Science, стало настоящим прорывом в этой области. Исследование называется «Твердотельный электролит с инертным неорганическим каркасом, пригодный для вторичной переработки, для долговечных алюминиево-ионных аккумуляторов».
Проблема предыдущих алюминиево-ионных аккумуляторов заключалась в том, что в качестве электролита обычно использовался жидкий хлорид алюминия, который разъедает алюминиевый анод и к тому же очень чувствителен к влаге. Согласно пресс-релизу нового исследования, результатом экспериментов стало резкое «снижение электрических характеристик с течением времени» и уменьшение общего «отсутствия стабильности».
Китайские ученые под руководством Вэй Вана добавили инертную соль фторида алюминия к электролиту, содержащему ионы алюминия, тем самым превратив его в твердотельный электролит. Они также использовали фторэтиленкарбонат в качестве межфазной добавки для создания тонкого твердого покрытия на электродах и, таким образом, предотвращения образования кристаллов алюминия.
В то время как первый вариант решает проблему коррозии алюминиево-ионного аккумулятора, второй гарантирует, что новое устройство хранения энергии не потеряет производительность даже в течение длительного периода времени. Согласно пресс-релизу, исследователям удалось доказать оба факта в ходе своих экспериментов: эксперименты улучшили влагостойкость, а также физическую и термическую стабильность аккумулятора, благодаря чему он может выдерживать многократные проколы острыми предметами и температуру до 200 градусов по Цельсию. Твердотельный алюминиево-ионный аккумулятор также имел исключительно долгий срок службы: он выдержал 10 000 циклов заряда/разряда и потерял менее одного процента своей первоначальной емкости.
Для сравнения: высокопроизводительные литий-ионные аккумуляторы выдерживают около 1000 полных циклов зарядки.
По сравнению с литием, алюминий является гораздо более дешевым материалом, который доступен в больших количествах по всему миру. Разработка также дает и другие преимущества. Литий-ионные аккумуляторы легко воспламеняются и поэтому представляют значительную угрозу безопасности – у их алюминиевых аналогов такой проблемы нет.
Кроме того, алюминий из батарей особенно легко перерабатывать, что дополнительно снижает затраты и повышает экологичность. Несмотря на новые достижения, до коммерческого выпуска алюминиево-ионных аккумуляторов еще предстоит пройти долгий путь.
«Необходимы дальнейшие улучшения плотности энергии и жизненного цикла», — сказал ведущий автор исследования Ван.
Источник: acs.org