Буквально на днях китайскими учёными был представлен прототип квазитвердотельного кальций-ионного аккумулятора, готового выдержать 1000 циклов зарядки/разрядки. Учитывая стоимость и доступность кальция, такие аккумуляторы должны стать более дешёвым, но в то же время не менее надёжным, аналогом твердотельных литий-ионных аккумуляторов, активно используемых в автомобильной промышленности и в электронике, например, как элемент питания любого современного смартфона.
Вот уже тридцать лет, как мы активно используем батареи на основе лития и, я так думаю, что ещё лет 30 будем использовать, пока добыча этого металла не перестанет окупаться. Параллельно с этим учёные технологически развитых стран мира предлагают свои аналоги или модификации тому, что имеется.
Так, литий-ионные батареи стали твердотельными: в них заменили жидкий электролит на кремний-углеродную решётку с вкраплением солей, переносящих ионы между анодом и катодом. Такие батареи обладают повышенной плотностью энергии и их ещё называют кремний-углеродными. Они также активно используются в китайских смартфонах. Не понимаю только одного, почему Samsung, Apple и Google продолжат использовать в своих флагманах старые литиевые батареи с гелевым электролитом, мешающим им перейти к более мощным зарядкам. Если кто-то знает причину, напишите, пожалуйста, в комментариях. Буду Вам признателен.
В Германии разработали технологию, позволяющую заменить литий на дешёвый натрий совместно с активированным углём почти без потери плотности энергии и с сохранением физических свойств элемента питания (обзор).
Теперь же с весьма интересной идеей выступили учёные-разработчики из Гонконгского университета науки и технологий. Инженеры этого университета создали квазитвердотеленный кальций-ионный аккумулятор. Этот аккумулятор способен выдержать более 1000 циклов зарядки/разрядки. О своих достижениях разработчики опубликовали статью в научном издании Advanced Science на веб-ресурсе с открытым доступом advanced.onlinelibrary.wiley.com.
Всё дело в окислительно-восстановительном процессе.
Первым делом учёные Гонконгского университета обратили внимание на эффективность окислительно-восстановительных процессов, переносящих ионы между анодом и катодом в твердотельных литиевых батареях и решили его усовершенствовать.
Наиболее подходящим элементом, теоретически обладающим высокой ёмкостью (2072 мАч на кубический сантиметр) и низким окислительно-восстановительным потенциалом, близким к литию, как раз оказался кальций. Решение вопроса лежало буквально у всех под ногами, надо было только обратить внимание на этот металл.
Однако, те электролиты, которые годились для лития, для кальция оказались совсем не пригодными. Ионная проводимость этих электролитов для кальция оказалось крайне медленной, что также сказалось на циклических характеристиках, то есть на возможности зарядки. Поэтому вариант твердотельных электролитов разработчики отложили в сторону и взялись за жидкие электролиты.
Первый удачный эксперимент завершился с использованием бора. В статье приводится довольно сложная формула соединения кальция в составе анода и бора, используемого в качестве электролита, но именно этот химический состав показал высокие ионную проводимость и окислительную стабильность, то есть именно те параметры, которые необходимы для повторных зарядок аккумулятора.
Чтобы сделать работающую батарею дешевле, исследователи взяли сульфонил фтора, отказавшись от бора. При этом, катод остался графитовым, а с анодом пришлось поработать. В его основе всё также был кальций, но химический состав вещества, из которого создавали анод, пришлось усложнить. Для любителей химии, уверен, будет понятно такое название, как перилентетракарбоксиловый диангидрид (PTCDA).
Но как ни старались исследователи экспериментировать с кристаллической решёткой вещества для анода, он всё равно оставался плохо устойчивым к новому жидкому электролиту. Простыми словами, анод стал растворятся, к тому же жидкий электролит плохо влиял и на графитовый катод. Решить проблему мог только твёрдый электролит.
Гель - почти твёрдый материал.
Ни один из вариантов твёрдого электролита никак не мог устроить учёных. Каждый вариант, каждая проанализированная химическая формула, приводили к резкому снижению ёмкости батареи и проводимости ионов.
Тогда исследователи выбрали золотую середину между твёрдым и жидким - гель. Найденный вариант электролита учёные назвали квазитвердотельным (как бы твердотельным - сокращённо QSSE). Собранный элемент питания получил аналогичное название - квазитвердотельный.
Чтобы созданный прототип смог выдержать большое число процессов зарядки и не терял своих качеств, исследователи вплотную занялись модификацией кристаллической решётки анода. В итоге, они остановились на двух устойчивых к окислительно-восстановительным процессам вариантах.
Таким образом, у китайских инженеров сейчас на руках два прототипа кальций-ионных аккумуляторов с гелевым электролитом.
Итог.
Готовая ионная ячейка с кальциевым анодом и гелевым электролитом, получившая название PT-COFs-QSSE, продемонстрировала ёмкость 155 мАч/г при плотности тока 0,15 A/г и сохраняла ёмкость 74,6% в течение 1000 циклов повторной зарядки. Достигнутый результат представляет собой лучшую производительность в зарегистрированной кальций-ионной батарее. Надеюсь, что скоро такие аккумуляторы появятся в новых китайских смартфонах и они станут ещё дешевле, как, впрочем, и китайские электромобили. Я бы очень хотел, чтобы у АвтоВАЗа нашлись средства организовать собственную лабораторию по разработке аналогичных кальций-ионных батарей, а мы, в свою очередь, стали получать дешёвые отечественные авто.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.