Какими будут аккумуляторы будущего?

Смартфоны становятся все тоньше и быстрее. Однако если батарея разряжается менее чем за день, то практической пользы от этого будет мало. В эпоху переносных устройств и мобильных компьютеров спрос на емкие аккумуляторы постоянно увеличивается. В сущности, речь идет об энергетической плотности.

В связи с этим встает вопрос: сколько носителей заряда сможет «вместить» батарея в определенном объеме? Применительно к преобладающей в настоящее время литий-ионной технологии это означает, что чем больше атомов лития накапливается на аноде аккумулятора, тем больше энергии он способен запасать.

Литий-ионные батареи повышенной емкости — Размер литий-ионного элемента в первую очередь определяется размером анода. Использование новых материалов и производственных процессов позволит специалистами SolidEnergy создать анод из чистого лития. Благодаря этому размеры анода (и, как следствие, всего аккумулятора) сокращаются до минимума.

Наиболее эффективным вариантом, разумеется, было бы изготовление анода из чистого лития. Однако подобные попытки приводили к тому, что батареи переставали работать уже через несколько циклов зарядки или даже вообще загорались.

Специалисты SolidEnergy смогли решить данную проблему. Ими была сконструирована батарея, в которой благодаря комбинации твердого и жидкого электролита удалось предотвратить химическую реакцию между литием и жидким электролитом (это материал, через который перемещаются ионы лития при разрядке), способную вызвать воспламенение аккумулятора. Эта новая технология чрезвычайно увеличивает энергетическую плотность батарей.

В ходе первых испытаний такие элементы после 300 циклов зарядки потеряли всего 20% емкости, что сравнимо со значениями современных аккумуляторов смартфонов.

Аккумуляторы будущего

Еще более высокой энергетической плотности можно добиться, если сконструировать металло-воздушный аккумулятор. К сожалению, аноды, изготовленные из металла, вследствие электрохимических процессов, протекающих в батарее, быстро приходят в негодность.

Альтернативы литий-ионных батарей — Качество аккумуляторов определяется двумя факторами: чем выше плотность мощности, тем быстрее происходит зарядка и разрядка. Плотность энергии определяет емкость аккумулятора.

Впрочем, не так давно японская компания Fuji Pigment объявила о возможности производства новых аккумуляторов из алюминия и воздуха. Согласно данным производителя, алюминиевый электрод не должен разрушаться как минимум в течение 14 дней, так как на него нанесено керамическое покрытие. Специалисты Fuji Pigment утверждают, что энергетическая плотность их разработки в 40 раз выше плотности литий-ионных батарей.

Катод из серы — Целью проекта LiScell Общества им. Фраунгофера является создание к 2017 году новых литий-ионных аккумуляторов, в которых обычный материал катодов заменяется недорогой серой.

А начиная с 2015 года четыре института Общества им. Фраунгофера объединили свои усилия в работе над проектом LiScell с целью разработки литий-серных (Li-S) аккумуляторов. В подобных элементах ранее используемый дорогой материал катода литий-ионных батарей может быть заменен недорогой нетоксичной серой. Кроме того, исследователи надеются увеличить энергетическую плотность по меньшей мере на 60%.

Фото: Ola Jakup Joensen; Niels Bohr Institute (Aufmacher); germanium.jpg/images-of-elements.com/CC BY 3.0 (re. o.); Niels Bohr Institute (li. o.); Peter Nussbaumer/Wikipedia/CC BY-SA 3.0 (li. 2. v. o.); Forschungszentrum Jülich (li. 2. v. u. und u.); Samsung (re. o.); Plasmachem (re. u.); Solid Energy Systems (3 o.); Fraunhofer IWS Dresden (u.)

Инфографика: Andreia Margarida da Silva Granada

Автор

CHIP