Надійні акумулятори високої ємності є важливим компонентом багатьох пристроїв і навіть видів транспорту. Вони відіграють ключову роль у переході до зеленішого світу. У їх виробництві використовується широкий спектр елементів, у тому числі кобальт, виробництво якого сприяє вирішенню деяких екологічних, економічних і соціальних проблем.
Вперше команда, до складу якої входять дослідники з Токійського університету, представляє життєздатну альтернативу кобальту, яка певним чином може перевершити найсучаснішу хімію акумуляторів. Він також витримує велику кількість циклів перезарядки, і основну теорію можна застосувати до інших проблем. Дослідження опубліковано в Nature Sustainability.
Швидше за все, ви читаєте цю статтю на ноутбуці чи смартфоні, а якщо ні, можливо, у вас є принаймні один із них. Всередині будь-якого пристрою та багатьох інших ви знайдете літій-іонний акумулятор (LIB). Протягом десятиліть LIB були стандартним способом живлення портативних або мобільних електронних пристроїв і машин. Оскільки світ переходить від викопного палива, його вважають важливим кроком для використання в електромобілях і домашніх акумуляторах для тих, хто має сонячні батареї. Але подібно до того, як батареї мають позитивний і негативний кінець, LIB мають негативні очки проти позитивних.
По-перше, хоча вони є одними з найбільш енергоємних портативних джерел живлення, багато людей бажають, щоб LIB могли видавати більшу щільність енергії, щоб вони або служили довше, або живили ще більш вимогливі машини. Крім того, вони можуть витримати велику кількість циклів перезарядки, але вони також руйнуються з часом; було б краще для всіх, якби батареї витримували більше циклів перезарядки та довше зберігали свою ємність. Але, мабуть, найбільш тривожна проблема сучасних LIB полягає в одному з елементів, які використовуються для їх побудови.
Кобальт широко використовується для ключової частини LIB, електродів. Усі батареї працюють подібним чином: два електроди, один позитивний і один негативний, сприяють потоку іонів літію між ними в тому, що називається електролітом, коли вони підключені до зовнішнього контуру. Кобальт, однак, є рідкісним елементом; настільки рідкісний, що наразі існує лише одне основне джерело його отримання: серія шахт, розташованих у Демократичній Республіці Конго.
Протягом багатьох років повідомлялося про багато проблем щодо екологічних наслідків цих шахт, а також умов праці там, у тому числі використання дитячої праці. З точки зору постачання також джерело кобальту є проблемою через політичну та економічну нестабільність у регіоні.
«Є багато причин, чому ми хочемо відмовитися від використання кобальту, щоб покращити літій-іонні батареї», — сказав професор Ацуо Ямада з кафедри хімічної системної інженерії.
«Для нас ця проблема є технічною, але її вплив може бути екологічним, економічним, соціальним і технологічним. Ми раді повідомити про нову альтернативу кобальту за допомогою нової комбінації елементів в електродах, включаючи літій, нікель, марганець. , кремній і кисень — усе набагато більш поширені та менш проблематичні елементи для виробництва та роботи».
Нові електроди та електроліт, створені Ямадою та його командою, не лише позбавлені кобальту, але й справді певним чином покращують поточну хімію акумулятора.
Щільність енергії нових LIB приблизно на 60% вища, що може прирівнюватись до довшого терміну служби, і він може видавати 4,4 вольта, на відміну від приблизно 3,2–3,7 вольта типових LIB. Але одним із найдивовижніших технологічних досягнень було покращення характеристик перезарядки.
Тестові батареї з новим хімічним складом змогли повністю зарядити та розрядити протягом 1000 циклів (імітуючи три роки повного використання та заряджання), втрачаючи при цьому лише близько 20% своєї ємності.
«Наразі ми задоволені результатами, але досягти цього результату не обійшлося без труднощів. Це була боротьба, намагаючись придушити різні небажані реакції, які відбувалися в ранніх версіях наших нових хімічних елементів, які могли різко скоротити довговічність акумулятора. батареї», — сказав Ямада.
«У нас ще є якийсь шлях попереду, оскільки тривають незначні реакції для пом’якшення, щоб ще більше підвищити безпеку та довговічність. Наразі ми впевнені, що це дослідження призведе до покращення акумуляторів для багатьох застосувань, але деякі, де потрібна надзвичайна міцність і тривалість життя, можливо, поки що не задоволені».
Незважаючи на те, що Ямада та його команда досліджували застосування в LIB, концепції, які лежать в основі їх недавніх розробок, можна застосувати до інших електрохімічних процесів і пристроїв, включаючи інші типи батарей, розщеплення води (для виробництва водню та кисню), плавлення руди, електропокриття. і більше. Джерело