Ученые из Стэнфордского университета разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных аккумуляторных батарей на основе алюминия, которые по скорости зарядки, по безопасности эксплуатации, по надежности и по стоимости значительно превосходят нынешние литий-ионные аккумуляторные батареи. И самым привлекательным для потребителей является то, что такие алюминиевые батареи могут заряжаться до максимального уровня заряда не за часы, а за считанные минуты времени.
“Мы разработали алюминиевую перезаряжающуюся батарею, которая в самом недалеком будущем сможет вытеснить существующие технологии хранения энергии, такие, как щелочные аккумуляторы, которые неблагоприятны для окружающей среды, железные аккумуляторы, которые отличаются низкой надежностью, и литий-ионные аккумуляторы, которые дороги и пожароопасны” – рассказывает Хонгджи Дэй (Hongjie Dai), профессор химии из Стэнфордского университета, – “Наша новая батарея обладает характеристиками, во много раз превосходящими характеристики батарей любых других типов, кроме этого, она продолжит работать и не загорится, даже если ее ударить чем-то тяжелым или просверлить насквозь”.
Отметим, что алюминий давно уже считался перспективным материалом для использования в аккумуляторных батареях. Это обусловлено низкой стоимостью, низкой воспламеняемостью и высоким потенциалом с точки зрения количества хранимой энергии. Несмотря на то, что ученые пытались уже почти десятилетие разработать алюминиевую эффективную батарею, эта проблема так и не была решена успешно. И основным препятствием этому было то, что большинство комбинаций используемых материалов не могло обеспечить производства батареей достаточного напряжения после некоторого количества циклов заряда-разрядки.
Алюминий-ионная батарея, как и батареи всех других типов, состоит из двух электродов, отрицательно заряженного анода, изготовленного из алюминия. А положительно заряженный катод изготовлен из особого вида графита. “Ученые перепробовали множество различных вариантов материала катода” – рассказывает профессор Хонгджи Дэй, – “Но нам удалось случайно обнаружить, что самым простым решением является использование специальной формы графита. И в наших исследованиях мы идентифицировали несколько видов графита, который демонстрирует достаточно хорошую работу в качестве материала катода”.
Алюминиевая батарея в законченном виде представляет собой достаточно тонкий гибкий “бутерброд” из алюминия и графита, пропитанного жидким электролитом, облаченный в оболочку из эластичного полимерного материала. За счет больших площадей электродов аккумулятора и малого расстояния между электродами такая батарея заряжается очень быстро. Опытные образцы таких батарей заряжались приблизительно за одну минуту, что не идет ни в какое сравнение с часами, которые требуются для зарядки батарей других типов.
Кроме этого, новая алюминиевая батарея демонстрирует потрясающую надежность. Другие алюминиевые батареи, созданные ранее, буквально “умирали” после 100 циклов заряда-разрядки. Батарея, разработанная в Стэнфорде, выдерживает 7.5 тысяч циклов без какой-либо значительной потери своих характеристик. И это намного больше надежности литий-ионных батарей, лучшие образцы которых выдерживают до 1000 циклов.
Электрохимический потенциал, развиваемый алюминиевой батареей, составляет около двух Вольт. Это немного ниже потенциала, развиваемого литий-ионными батареями, но выше 1.5-вольтового потенциала, который обеспечивает большинство батарей размера AA и AAA.
“Наша батарея пока способна производить приблизительно половину потенциала типичной литиевой батарей” рассказывает профессор Дэй, – “Однако, усовершенствование материала катода позволит нам увеличить электрический потенциал батареи, подняв одновременно с этим значение показателя плотности хранения энергии. А все остальное у нашей батареи уже имеется – электроды из недорогих материалов, высокий уровень безопасности, высокоскоростная зарядка, гибкость и длительный жизненный цикл. Мы рассматриваем наши батареи как перспективную технологию, которая в будущем вытеснит все другие технологии аккумулирования энергии”.