Мыло и воск облагородили литиевые батареи
Чтобы модернизировать аккумуляторы литиево-ионного типа, разные группы учёных за годы работы чего только не перепробовали. Однако настолько оригинального и притом эффективного способа, как нынешний, ещё не было.
Новая разработка американских учёных предлагает ввести в конструкцию батарей весьма неожиданные материалы. Они ускорили построение электродов, попутно улучшив их свойства.
Основные компоненты литиево-ионного аккумулятора – это два электрода (анод и катод) плюс электролит. Традиционно при изготовлении батарей используются графит для анода и оксид металла, например кобальта и никеля, для катода.
Роль электролита выполняет литиевая соль в органическом растворителе.
Несмотря на крайне широкое распространение, стандартные литиево-ионные батареи не могут похвастаться ни длительной работой после полной зарядки, ни сохранением одинаковой работоспособности на протяжении всего срока службы.
В поисках более удачной технологии для производства литиевых батарей американские инженеры из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории cфокусировались на материале, из которого изготовляют катод. Как сообщается в пресс-релизе, для начала исследователи решили использовать в этом качестве модернизированный вариант марганца или железа, которые в исходном своём состоянии немного уступают по функциональности кобальту и никелю, зато выигрывают по себестоимости производства.
«В перспективе аккумуляторы с продвинутыми электродами станут недорогой и более эффективной альтернативой традиционным литиево-ионным батареям», – говорит Чой. Здесь показана общая схема опыта.
Пояснения ниже (иллюстрация Choi et al.).
Американцы рассудили, что при изготовлении катодов гораздо резоннее перейти от оксидов к фосфатам металлов, что повысит стабильность работы. В ходе отборочных испытаний всех конкурентов обошёл фосфат лития-марганца (LMP). Его химическая формула — LiMnPO4.
С ним и проводились дальнейшие эксперименты.
Теоретически LMP как материал для электрода литиевой батареи обладает очень высокой ёмкостью в 171 миллиампер часов на грамм вещества. Однако на практике учёным до сих пор удалось приблизиться лишь к показателю в 120 мАч/г.
Частички фосфата LMP, потенциальная золотая жила для производителей батарей (фото Choi et al.).
В размышлениях, куда же деваются целых 30% полезной ёмкости, американцы поставили эксперименты с молекулярной структурой катода. Как считают исследователи, при изготовлении электрода традиционным методом его строение оказывается хаотичным и препятствует дальнейшей работе детали на все 100%.
Усовершенствовать структуру инженеры решили весьма необычным образом: они смешали некоторое количество микрочастиц воска и мыла с компонентами электрода, после чего нагрели смесь до 400 °C.
Парафин, состоящий из длинных прямых молекул, «построил» молекулы металлов в некое подобие линий. Олеиновая кислота (компонент мыла) поспособствовала равномерному формированию из этих линий кристаллов, а те, в свою очередь, под влиянием температуры сливались в микропластины.
По завершении такого построения вспомогательные материалы испарились.
Чтобы определить размеры микропластин, команда использовала просвечивающий электронный микроскоп, принадлежащий лаборатории молекулярной экологии (EMSL). Средняя толщина пластинок составила около 50 нанометров, а длина – около двух тысяч.
Этапы электронной микроскопии, где a – дифракционная картина, b – «свежеизготовленная» микропластина, с – её увеличенное изображение. d –дифракционная картина, а также изображения частиц (e и f) фосфата литий-марганца после измельчения (иллюстрация Choi et al.).
Для проверки новообретённых способностей LMP учёные развели пластинки немного дальше друг от друга и добавили «поддержку» углерода, который выступил в качестве анода.
При различных режимах зарядки-разрядки материал демонстрировал и различную плотность запасаемой энергии. Так, при медленном протекании процесса в течение целых суток желанный показатель плотности энергии составил 150 мАч/г, а при быстрой (в течение часа) разрядке значение упало до 117 мАч/г.
К теоретическому максимуму учёным удалось приблизиться при зарядке и разрядке в течение двух суток – из материала было «выжато» аж 168 мАч/г. Впрочем, при скоростном режиме (заправка за час) тестовый аккумулятор показал лишь 54 мАч/г.
Хотя подобная «тугодумность» батареи не особенно радует, авторы, чья статья опубликована в Nano Letters, спешат заверить, что время зарядки в будущем сократится, а сама методика находится ещё только в начале долгого и знаменательного пути.
Советы по использованию литиевых аккумуляторов
