Удвоить жизнь батарей смартфонов может новый тип стекла

Сегодняшние литий-ионные аккумуляторы хороши — но не достаточно, если наши будущее энергетические системы будут полагаться на электроэнергию. Химики из швейцарской высшей технической школы Цюриха —ETH Zurich (а это, между прочим, место учебы 21 нобелевского лауреата) — разработали новый тип стекла, который может быть использован в качестве электродного материала в литий-ионных батареях — сделав огромный шаг вперед в увеличении емкости и энергетической плотности этих батарей.

Продолжительное время эксперты в области энергетики были твердо уверены, что нам потребуется гораздо более чистая энергия в будущем, если мы хотим заменить ископаемые источники топлива и снизить выбросы CO2. Например, электрические машины должны будут заменить автомобили с бензиновым двигателем на наших дорогах. Тем не менее, для того, чтобы электромобили могли путешествовать на большие расстояния, а мобильные телефоны — дольше оставаться на связи, нам нужно улучшить аккумуляторы. При переходе на возобновляемые источники энергии, аккумуляторы играют ключевую роль в хранении избыточной энергии от ветряных турбин или солнечных электростанций и компенсации перепадов при подаче электроэнергии.

В связи с этим, исследователи тщательно ищут новые материалы, которые обладают большей энергетической плотностью и мощностью заряда, но в то же время не тяжелее и не больше, чем те, что используются в современных литий-ионных батареях. Сегодняшние батареи обеспечивают надежное энергоснабжение наших смартфонов, электрических машин и ноутбуков, но не в состоянии идти в ногу с растущими требованиями, предъявляемыми к ним. 

Д-р Семих Афьонкарахисар, ученый Института электрохимического материаловедения, резюмирует основную идею, которая стимулирует исследование батарей: «Что нам нужно, так это новая химия и новые соединения для получения улучшенных, безопасных и более прочных батарей».

Стеклянные частицы вместо кристаллов

В ETH исследователи под руководством Афьона и Рейнхарда Неспера, почетного профессора химии в ходе многолетних исследований обнаружили материал, который может удвоить емкость батареи: ванадат-боратноестекло. Исследователи используют стекло в качестве катодного материала.

Материал изготовлен из оксида ванадия (V2O5) и бората лития (LiBO2) и покрыт оксидом графита (RGO) для повышения электродных свойств материала. Исследователи использовали ванадий, потому что это переходный металл с различными степенями окисления, которые могут быть использованы для достижения более высокой емкости батареи. В кристаллической форме, пятиокись ванадия может принимать три положительно заряженных иона лития — в ​​три раза больше, чем материалы, используемые в настоящее время в катодах батарей, таких как LiFePO4.

Тем не менее, кристаллическая пятиокись ванадия не может высвободить все ионы лития и дает только несколько устойчивых циклов заряда/разряда. Как только ионы лития проникают в кристаллическую решетку в процессе зарядки, решетка расширяется. В результате электрод «разбухает». Этот процесс может привести к неустойчивости в материале электрода в плане структурных изменений и контактных потерь.

Поэтому исследователям пришлось найти способ сохранить структуру исходного материала при максимальной мощности. Они разработали идею использования ванадия, как стекла, а не в его кристаллической форме. В стекле, так называемый «аморфном» материале, атомы не выстраиваются в правильную решетку, как они делают в кристаллическом состоянии.

Материал получается недорогим и простым в производстве — о его изготовлении можно подробнее прочесть здесь.

Во время предварительных испытаний с ванадат-боратными электродами, которые не были сделаны из материала, покрытого оксидом графита, пропускная способность резко упала после 30 цикла заряда/разряда. При использовании покрытия RGO, емкость была достаточно стабильна при высоких скоростях зарядки и оставалась на стабильно высоком уровне после более 100 циклов заряда/разряда.

Один аккумулятор с ванадат-боратным стеклянным электродом содержит достаточно энергии для питания мобильного телефона в 1,5- 2 раз больше, чем у современных литий-ионных батарей»,- считает Афьонкарахисар. Это решение может также увеличить дальность поездок электрических автомобилей в те же 1,5-2 раза. Однако, эти цифры по-прежнему носят теоретический характер.

Создатели уже подали заявку на патент для нового материала. Новая концепция, как правило, требует от 10 до 20 лет, чтобы закрепиться на рынке. Положительные результаты исследователей с ванадат-боратным стеклом поощряют их продолжать свои исследования в этой области. 

Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов — катода и анода. Анод часто изготовливают из графита, катод — из оксидов металлов, таких как оксид кобальта. При разряде батареи, ионы лития переходят от анода к катоду. Когда батарея заряжается, ионы и электроны «текут» в обратном направлении. Для эффективной  работы батареи в течение длительного времени, ионы должны быть в состоянии легко двигаться в электродные материалы и из них. Форма и размер электродных материалов не должна сильно меняться после постоянного поглощения и испускания ионов.