Дослідники виявили, що дуже перспективний електроліт для створення більш довговічних літієвих батарей має складні наноструктури, які функціонують подібно до того, як міцели поводяться в мильній воді. У пошуках довговічних акумуляторів дослідники з Університету Брауна та Національної лабораторії Айдахо виявили, що відповідь може полягати в розумінні того, як речі стають чистими – зокрема, як працює мило в цьому процесі.
Візьмемо, наприклад, миття рук. Коли людина миє руки з милом, мило утворює структури, які називаються міцелами, що вловлюють і видаляють жир, бруд і мікроби при змиванні водою. Це відбувається тому, що мило діє як місток між водою і тим, що змивається, зв’язуючи їх і загортаючи в ці міцелярні структури.
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Materials, вчені помітили, що подібний процес відбувається в речовині, яка стала однією з найперспективніших для створення літієвих батарей з довшим терміном служби – новому типі електроліту, який називається локалізованим електролітом високої концентрації. Це нове розуміння того, як працює цей процес, як стверджують автори статті, може бути відсутнім елементом для повного відкриття дверей у цьому секторі технологій, що розвивається.
Покращення зберігання енергії в акумуляторах
“Загальна картина полягає в тому, що ми хочемо покращити та збільшити щільність енергії в акумуляторах, тобто скільки енергії вони зберігають за один цикл і скільки циклів вистачає акумулятора”, – каже Юе Ци, професор Інженерної школи Брауна. “Для цього необхідно замінити матеріали всередині традиційних батарей, щоб зробити довговічні батареї, які зберігають більше енергії, реальністю – уявіть собі батареї, які можуть живити телефон протягом тижня або більше, або електромобілі, які проїжджають 500 миль”.
Вчені активно працюють над переходом на батареї, виготовлені з металевого літію, оскільки вони мають набагато вищу здатність зберігати енергію, ніж сучасні літій-іонні акумулятори. Стримуючим фактором є традиційні електроліти, які є невід’ємною частиною, оскільки вони дозволяють електричному заряду проходити між двома клемами батареї, викликаючи електрохімічну реакцію, необхідну для перетворення накопиченої хімічної енергії в електричну. Традиційні електроліти для літій-іонних акумуляторів, які по суті складаються з солі низької концентрації, розчиненої в рідкому розчиннику, не виконують цю функцію ефективно в металевих батареях.
Локалізовані електроліти високої концентрації
Локалізовані електроліти високої концентрації були розроблені вченими з Національної лабораторії Айдахо і Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії для вирішення цієї проблеми. Їх виготовляють шляхом змішування високої концентрації солі в розчиннику з іншою рідиною, яка називається розріджувачем, що покращує потік електроліту і дозволяє підтримувати потужність акумулятора.
Досі в лабораторних випробуваннях цей новий тип електроліту показував багатообіцяючі результати, але як він працює і чому, так і не було повністю зрозуміло, що обмежувало його ефективність і можливості його подальшого розвитку. Це те, що допомагає вирішити нове дослідження.
“У статті представлена єдина теорія того, чому цей електроліт працює краще, і ключове розуміння цього прийшло завдяки виявленню того, що в цьому електроліті утворюються міцелоподібні структури – так само, як це відбувається з милом”, – сказав Бін Лі, старший науковий співробітник Національної лабораторії Оук-Рідж, який працював над дослідженням. “Тут ми бачимо, що роль мила або поверхнево-активної речовини відіграє розчинник, який зв’язує і розріджувач, і сіль, обертаючись навколо солі вищої концентрації в центрі міцели”.
Зрозумівши це, дослідники змогли розбити співвідношення і концентрації, необхідні для досягнення оптимальних реакцій в батареях. Це має допомогти вирішити одну з головних проблем у створенні цього електроліту – знайти правильний баланс між трьома інгредієнтами. Насправді, робота не лише надає кращі рекомендації для створення локалізованих електролітів високої концентрації, які функціонують, але й для створення електролітів, які працюють ще більш ефективно.
Дослідники з Національної лабораторії Айдахо втілили теорію в життя. Вони виявили, що теорія поки що працює і допомагає продовжити термін служби літій-металічних акумуляторів. Команда з нетерпінням чекає, які конструкції локалізованих електролітів високої концентрації з’являться в результаті їхньої роботи, але знає, що для подолання “вузького місця” в дизайні електролітів для батарей високої щільності ще потрібно досягти значного прогресу. Наразі їм цікаво, що секрет може бути в чомусь такому буденному і повсякденному, як мило.
“Концепція міцели може бути новою для електроліту, але насправді вона дуже поширена в нашому повсякденному житті”, – каже Ци. “Тепер у нас є теорія і рекомендації щодо того, як отримати бажану взаємодію між сіллю, розчинником і розріджувачем в електроліті, а також щодо того, в якій концентрації вони повинні бути і як їх змішувати”.