не так давно я рассказывал про натрий-ионные аккумуляторы:
и вот уже подоспела новая инновация — алюминий ионный аккумулятор. впрочем технология достаточна старая. основное улучшение в электролите, о чем будет рассказано ниже. а пока вспомним что такое алюминий-ионный аккумулятор.
ключевое преимущество алюминий ионных аккумуляторов в том, что трёхзарядный ион Al³⁺ переносит в 3 раза больше заряда, чем однозарядный Li⁺. теоретически это позволяет получить высокую плотность энергии. кроме того, алюминий — третий по распространённости элемент в земной коре, дешёвый и нетоксичный.
об алюминиевых аккумуляторах известно давно, но они использовали жидкий электролит. использование жидких электролитов в алюминий-ионном аккумуляторе сталкивается с рядом проблем:
- коррозия анода: жидкие электролиты, особенно на водной основе, вызывают коррозию алюминиевого анода и пассивацию (образование оксидной плёнки), что увеличивает сопротивление, что в свою очередь резко снижает производительность.
- деградация катода: Ионы алюминия имеют большой размер и высокий заряд. Их внедрение (интеркаляция) в структуру катода (например, графита) в жидком электролите вызывает сильные механические напряжения, что приводит к быстрому разрушению и растрескиванию катодного материала.
- побочные реакции: в жидкой среде сложно избежать паразитных химических реакций, которые снижают кулоновскую эффективность (КПД цикла) и общий срок службы.
логичное решение избавиться от жидкого электролита и заменить его твёрдым. твёрдый электролит решает большинство проблем жидкого:
- подавление дендритов: твёрдый электролит механически прочнее и предотвращает или сильно замедляет рост дендритов алюминия (игольчатых кристаллов), которые могут приводить к короткому замыканию батареи, что в свою очередь может привести к пожару. это критически важно для безопасности.
- стабильность интерфейсов: твердый электролит создаёт стабильную, непроницаемую границу раздела с обоими электродами (анодом и катодом), предотвращая коррозию и побочные реакции, но проводит ионы алюминия.
- механическая стабильность: помогает выдерживать объёмные изменения электродов при циклировании, тем самым сохраняя их структурную целостность. это и дает хорошую циклируемость (десятки тысяч циклов в прототипах).
- широкое электрохимическое окно: многие твердые электролиты стабильны при более высоких напряжениях, что позволяет создать батарею с более высоким напряжением ячейки.
как результат получаем аккумулятор с хорошими качествами:
- хорошая циклируемость - десятки тысяч циклов. для сравнимого по характеристикам литий-титанатного некоторыми производителями заявляется ресурс более 25 000 циклов. но аккумулятор дорогой, он используется на транспорте, специальные применения. ресурс того, что у вас в мобильном телефоне в циклах «заряд-разряд» — не более 500.
- быстрая зарядка. владельцы телефонов в курсе, что зарядка литиевого аккумулятора может занять несколько часов. общалось о небывалом времени зарядки, в течение одной минуты.
- стойкость к глубокому разряду, тут правда стоит упомянуть, что любой аккумулятор не рекомендуется разрежать в ноль, но стойкость алюминиевых к глубокому разряду хорошая.
- устойчивость к низким температурам. твёрдые электролиты (особенно те, что разрабатываются для Al-ion, например, на основе керамик или специальных полимеров) не замерзают. ионная проводимость в них хоть и падает с температурой, но не так катастрофически, как в большинстве жидкостях. исследования показывают, что прототипы твердотельных Al-ion батарей демонстрируют работоспособность при температурах до -20°C и даже -30°C, сохраняя значительную часть своей емкости.
- безопасность. аккумуляторы демонстрируют хорошую безопасность, продолжают функционировать даже с повреждённым корпусом.
вроде выдающийся аккумулятор, но есть ли недостатки? да.
- самый главный из них низкое рабочее напряжение — 1.5-2 вольта.
- сам катодный материал (часто графит) имеет невысокую удельную емкость для ионов алюминия.
суммарно эти недостатки определяют низкую энергоёмкость примерно, 40-70 Вт*ч/кг. для упоминавшегося здесь литий-титаната 60—100 Вт*ч/кг. для аккумулятора который у вас в мобильном телефоне порядка 250 Втч/кг, плотность засасываемой энергии натрий-ионной батареи составляет около 140 Вт·ч/кг. теоретическая потенциальная плотность энергии для алюминиево-ионных аккумуляторов составляет 1060 Втч/кг для сравнения литийионных 406 Wh/kg.
по данным китайской компании CATL, у второго поколения натрий-ионных батарей этот показатель составляет 200 Вт·ч/кг при нескольких тысячах циклах заряда/разряда без значительной потери ёмкости.
т.е. видно что пока алюминий-ионные аккумуляторы не могут претендовать
на массовое применение в потребительской электронике. их можно рассматривать как потенциально более дешёвый и быстрозаряжаемый аналог литий-титанатных аккумуляторов, но с сопоставимой низкой энергоемкостью.
такие аккумуляторы могут найти применение например в солнечных электростанциях за счёт своей дешевизны и долговечности. возможно применение на городском транспорте где низкая энергетическая плотность компенсируется малым временем заряда и хорошей циклируемостью. с ростом энергетической плотности можно ожидать широкого распространения технологии, что дополнительно уменьшит стоимость таких аккумуляторов.
текст создан при экспертной поддержке DeepSeek