Значимые достижения в области разработки аккумуляторов за 2020 год
Аккумуляторы занимают очень важную часть в современном мире, и без них невозможно представить будущее человечества. Именно поэтому ученые по всему миру постоянно находятся в поиске способов улучшить существующие или же создать абсолютно новые типы аккумуляторных батарей. В этом материале я расскажу о самых значимых работах ученых в области разработки аккумуляторов за 2020 год. Итак, начнем.
Аккумуляторы с металлическим литием
Когда речь идет о варианте усиления уже существующих батарей, наиболее перспективным считается использование металлического лития в качестве анода вместо графита и меди. Но существовало довольно существенное препятствие – повышенная скорость формирования так называемых дендритов.
Ученым из Вашингтонского государственного университета удалось найти подход, который существенно снизил скорость образования дендритов за счет включения некоторых ключевых химикатов в раствор катода и электролита.
Такая модернизация позволила сформировать защитный слой вокруг анода из металлического лития. Таким образом в ходе испытаний батарея оставалась стабильной на протяжении 500 циклов заряд/разряд.
Твердотельные аккумуляторные батареи
Твердотельный аккумулятор QuantumScape (справа) хранит гораздо больше энергии на единицу веса и объема, чем обычные литий-ионные элементы (слева), и только что успешно прошел серию испытаний, связанных с электромобилями.QuantumScape
В декабре калифорнийская компания QuantumScape представила широкой общественности свою твердотельную литий-металлическую батарею, которую специально разработали для применения в электроавтомобилях.
По заявлениям представителей компании, им удалось решить проблему образования дендритов за счет применения керамического электролита. Кроме этого новая батарея обладает плотностью энергии в четыре раза большей, чем в батареях, используемых в Tesla Model 3.
Кроме этого новый аккумулятор обеспечивает от 380 до 500 Вт*ч на один кг, что опять же выше показателей батарей Tesla (260 Вт*ч на кг). Также батарея сохраняла до 80% своей первоначальной емкости после 800 циклов заряд/разряд, и скорость заряда до тех же 80% составила 15 минут.
Аккумуляторы с ультразвуковым устройством
В феврале этого года научная группа из Калифорнийского университета в Сан-Диего представила довольно оригинальную разработку.
Инженеры разработали литий металлическую батарею, в которую дополнительно встроили микроскопическое ультразвуковое устройство.
Как оказалось, высокочастотные звуковые волны, которые пропускались через электролит, заставили перемещаться электролит плавно, а не застаиваться.
Это привело к тому, что в аноде литий был распределен максимально равномерно, и во время тестов такой аккумулятор с ультразвуковой начинкой оказался способен заряжаться с нуля до 100 % всего за 10 минут и показал высокую стабильность в течение 250 циклов заряд/разряд.
Аккумулятор с высокоскоростной зарядкой
Ученые совершили прорыв в разработке передовых литиевых батарей, которые могут позволить им заряжаться быстрее и быть менее склонными к сбоям.
Очередные эксперименты научной группы из Техасского университета позволили создать литий-металлическую батарею, в которой в качестве анода были применены углеродные нанотрубки. Такой подход также позволил существенно снизить образование дендритов на поверхности.
Еще такие батареи оказались способны выдерживать токи в пять раз превышающие предельные токи обычных литий-ионных батарей.
Натрий-ионные батареи — микроволны и соль
Все предыдущие рассмотренные версии так или иначе были связаны с дорогим и довольно редким литием. Поэтому ученые изучают и другие варианты химических сочетаний. И одним из наиболее перспективных является натрий-ионные.
Ученые из университета Пердью в апреле этого года смогли выполнить уникальный эксперимент. Им удалось превратить соль в хлопья, которые затем были обработаны сверхбыстрым микроволновым излучением и получить таким образом терефталат натрия.
Это самая большая органическая молекула считается отличным материалом для производства анода, из-за своих великолепных электрохимических характеристик.
И самое главное инженерам удалось продемонстрировать процесс создания этой молекулы как часть полноценно функционирующего натрий-ионного элемента.
Гравитационные батареи
Концептуальное изображение демонстрационного объекта Gravitricity, который должен открыться для испытаний в начале 2021 года.
Одним из самых многообещающих способов крупномасштабного хранения возобновляемой энергии может заключаться в гравитационной энергии.
Компания Gravitricity продемонстрировала концепт совершенно нового типа хранения энергии, которая состоит из массивных весов, мощных лебедок и кабелей, которые удерживают грузы в воздухе. Когда нужно получить электричество, то грузы пускают на вал, который вращает лебедку, и таким образом вырабатывается электроэнергия.
При этом такая батарея способна отдать всю накопленную мощность или за 15 минут, или растянуть это время до 8 часов при пиковой мощности от 1 до 20 МВт.
Полноценный вариант такой батареи будет построен в Эдинбурге до конца 2021 года.
Графен в твердотельных батареях
Исследователи утверждают, что, добавив графен в керамический материал, они сделали самый прочный твердый электролит
Куда же без самого необычного и, пожалуй, уникального материала современности – графена. Одна из основных проблем твердотельных батарей – это коррозия, которая способна разрушить батарею.
Инженеры Университета Брауна занимались поиском решения этой проблемы и решили обратить свой взор на графен.
Несмотря на то, что одно из ключевых свойств графена это отличная электропроводимость (что не совсем то, что нужно для электролита батареи), ученым в ходе многочисленных экспериментов удалось нащупать ту золотую середину, когда за счет графена удалось создать твердотельный электролит максимальной прочности с минимально возможной проводимостью графеновых вкраплений.
Именно таким образом получилось создать керамический электролит особой прочности.
Это далеко не все работы ученых в направлении улучшения существующих и создания новых типов аккумуляторных батарей, но, по моему мнению, наиболее яркие из них.
