У потенциально прорывной технологии создания электромобилей есть существенная проблема - необходимость большого количества лития (Li) для производства аккумуляторов.
К сожалению, лития на Земле мало, и его запасы составляют всего 0,002% земной коры. Как только электромобили станут более распространенными, спрос на литий начнет превышать предложение. А значит, существует острая необходимость разработать перезаряжаемые батареи, основанные на химических реакциях с участием других щелочных металлов, среди которых многообещающим кандидатом является кальций. НиТ также сообщал, что австралийские разработчики предложили для электрокаров алюминиево-ионные аккумуляторы, которые заряжаются в 60 раз быстрее, чем литий-ионные.
Возможным решением данной проблемы является разработка новых типов батарей, которые основаны на значительно более распространенных щелочных металлах вместо лития. Из нескольких кандидатов, которые могли бы заменить литий, наиболее предпочтительным является кальций (Ca). Мало того, что кальция в 10 000 раз больше, чем лития, но теоретически он также может обеспечить такие же высокие показатели батареи. Тем не менее, все еще остаются некоторые значительные препятствия на пути разработки батарей на основе кальция, одним из которых является отсутствие подходящего материала катода, который может эффективно накапливать и высвобождать кальций обратимым процессом.
Стремясь помочь определить наилучшие катодные материалы для кальциевых батарей, исследователи из Кореи применили систематический подход, запустив высокопроизводительное квантово-механическое моделирование. Таким образом им удалось прогнозировать важные для батареи свойства различных слоистых материалов, сочетающих Ca и оксиды переходных металлов.
Ученые рассмотрели семь ионов переходных металлов и четыре типа слоистых структур - всего 28 катодов-кандидатов. С помощью расчетов они оценили многие важные характеристики, включая их термодинамическую стабильность, плотность энергии, способность к синтезу, подвижность Ca и электронную структуру. Это позволило им определить перспективные материалы для разработки аккумуляторов на основе кальция. Конечно же особо стоит отметить графеновый аккумулятор, который может обеспечить прорыв в создании устройств хранения энергии.
В частности, ученые идентифицировали кобальт (Co) как универсальный переходный металл для слоистого катода на основе Ca. Более того, они также показали, что сочетание различных переходных металлов в катоде может быть жизнеспособной стратегией для улучшения определенных желаемых характеристик. Им удалось доказать, что слоистые оксиды переходных металлов, которые широко используются в литиевых, натриевых и калиевых батареях, могут быть многообещающим классом материалов для кальциевых катодов.
Использованы материалы журнала Наука/Техника