Произошло научное открытие в Южной Корее. Оно открывает двухионным батареям путь к продажам — дешевле, держат заряд в 2 раза лучше и служат в 7 раз дольше в сравнении с литий-ионными.
👇 Рассказываем подробности, про которые журналисты в новостях ничего так и не упомянули.
Что случилось?
Корейские учёные из Университета науки и технологий POSTECH [публикация авторов] смогли стабилизировать многообещающий новый тип аккумулятора. При всех своих плюсах эта электрохимическая система склонна раздуваться и терять равновесие реакций.
Из-за таких недостатков технология пока ещё не освоена в той мере, чтобы попасть в продажи или какое-то массовое тестирование (как натрий-ионная, например, у BYD).
👇 Но теперь всё изменится.
Двухионные батареи (Dual-ion Battery, DIB) используют два разных иона для передачи электрического заряда: катионы лития и анионы. Рабочий механизм отличается от механизма работы литий-ионной батареи (LIB) тем, что анионы в электролите также могут интеркалироваться.
✅ Что дают хорошего двухионные батареи?
- Удельная энергоёмкость до 500 Вт·ч/кг (у литий-ионных в зависимости от системы от 100 до 270 Вт·ч/кг с перспективой до 450 Вт·ч/кг у твердотельных);
- Скорость зарядки (88% ёмкости достигается за считанные минуты);
- Срок службы более 3500 циклов (у литий-ионных 500, у LiFePO4 от 2000 при больших нагрузках и от 4000 в накопителях, у Li4Ti5O12 более 7000 для сравнения);
- Дешевле литий-ионных электрохимических систем.
Какая обратная сторона медали?
Большое объёмное расширение и сжатие графитового анода во время циклов зарядки и разрядки — серьёзное препятствие. Это вызвано взаимодействием с анионами.
❌ В результате двухионные аккумуляторы страдают от недостатков:
- Повреждается анод (ухудшается реакция окисления);
- Становится хуже электропроводность;
- Ёмкость стремительно падает и не держит заряд.
Камень преткновения во всём этом — нестабильный электролит. Он используется в качестве активного материала.
На характеристики также значительно влияет выбор инженером аниона, растворителя и добавок. От них зависит ёмкость и напряжение DIB-ячейки.
Учёные сколько не пытались создать подходящий состав, он продолжал разлагаться при высоких напряжениях и температурах. Внутри корпуса ячейки выделялись токсичные газы, которые раздували оболочку.
Что именно сделали учёные POSTECH?
Они смогли стабилизировать эти батареи. Исследователи из POSTECH разработали полимерное связующее AZCA10 (сокращение от азоциклического акриламида) и показали отличные результаты в испытаниях двухионных батарей.
AZCA10 содержит азидные группы (N3-) и акрилатные группы (C3H3O2), которые могут образовывать сильные водородные связи с анионами и уменьшать их диффузию в аноде. Открытое учёными связующее может подавлять объёмное расширение и сжатие анода и повышать его структурную целостность.
Прорыв ли это? Пока мы ещё не знаем. И не нашли критических публикаций, так как открытие только-только состоялось.
🔻 Есть факты:
- Двухионным батареям для жизнеспособности нужен специальный связующий материал, который предотвращает разрушение электродов.
- И вот такой материал учёные из Кореи предоставили.
- Материал проверили, изучили подробно и обосновали в публичном исследовании.
- Связующий материал выполнен на основе полиакриламида.
- Он обладает высокой эластичностью, прочностью и термостойкостью.
Если довериться результатам исследования, то материал показал отличные результаты в испытаниях двухионных батарей. Их энергетическую плотность увеличили на 30% при сохранении стабильности на 3500 циклов заряд-разряд.
С этого момента у двухионных батарей открыт путь к коммерциализации. То есть от практического применения их удерживают только возможности производства, доставки и заинтересованные в технологии заказчики.
🔻 Для самостоятельного изучения:
- [Источник doi.org/10.1016/j.ensm.2019.11.003] Двухионные аккумуляторы: новые альтернативные аккумуляторы, 2020, Вашингтонский университет (США); Университет короля Сауда (Саудовская Аравия).
- [Источник doi.org/10.1002/adma.202306157] Открытый доступ к исследованию AZCA10-связующего в двухионных батареях «Когезивные графитовые электроды с азациклическими якорями для устойчивого хранения анионов», POSTECH, 2023, Южная Корея.