Аурих Лоусон | Гетти Изображений
Есть классическая ирония с новыми технологиями, что последователи вынуждены ограничивать себя двумя из трех вещей, которые все хотят: быстро, дешево и хорошо. Когда речь идет о батареях, внедрение становится еще более сложной задачей. Дешевый и быстрый (зарядка) по-прежнему имеет значение, но «хороший» может означать разные вещи, такие как легкий вес, небольшой объем или длительный срок службы, в зависимости от ваших потребностей. Тем не менее, здесь задействованы одни и те же компромиссы. Если вам нужна действительно быстрая зарядка, вам, вероятно, придется отказаться от некоторой емкости.
Эти компромиссы поддерживают исследования альтернативных химических элементов аккумуляторов, несмотря на то, что свинцово-литиевые аккумуляторы обладают огромными технологическими и производственными возможностями — все еще есть надежда, что какой-то другой химический состав может обеспечить значительное снижение цены или значительное повышение производительности.
Сегодня публикуется статья, которая, по-видимому, предлагает низкую цену в сочетании с большим повышением некоторых из этих показателей. Описываемые в нем алюминиево-серные батареи предлагают недорогое сырье, конкурентоспособный размер и большую емкость на единицу веса, чем литий-ионные, с большим преимуществом полной зарядки элементов менее чем за минуту. Единственная очевидная проблема, с которой он сталкивается прямо сейчас, заключается в том, что для работы он должен иметь температуру 90 ° C (почти точка кипения воды).
Может алюминий?
Люди уже давно задумываются над батареями на основе алюминия, привлеченные их высокой теоретической емкостью. Хотя каждый атом алюминия немного тяжелее лития, атомы и ионы алюминия физически меньше, так как более высокий положительный заряд ядра немного притягивает электроны. Кроме того, алюминий легко отдает до трех электронов на атом, а это означает, что вы можете сместить много зарядов для каждого вовлеченного иона.
Большая проблема заключалась в том, что с химической точки зрения алюминий отстой. Многие соединения алюминия очень нерастворимы в воде, его оксиды чрезвычайно стабильны и т. д. Очень легко то, что должно быть незначительной побочной реакцией, вывести батарею из строя после нескольких циклов зарядки/разрядки. Таким образом, пока работа продолжалась, высокие теоретические возможности часто выглядели так, как будто они никогда не будут реализованы на практике.
Ключом к новой работе было осознание того, что мы уже решили одну из больших проблем с изготовлением металлического алюминиевого электрода — мы только что сделали это в совершенно другой области. Электроды из чистого металла предлагают большие преимущества в простоте и объеме, поскольку в них не используется настоящая химия, и вам не нужны дополнительные материалы для наполнения ионами металлов. Но металл имеет тенденцию неравномерно оседать на электродах батареи, в конечном итоге образуя шипы, называемые дендритами, которые растут до тех пор, пока не повредят другие компоненты батареи или полностью не закорачивают элемент. Таким образом, выяснить, как равномерно наносить металл, было большим препятствием.
Ключевым моментом здесь является то, что мы уже знаем, как равномерно наносить алюминий. Мы делаем это постоянно, когда хотим гальванизировать алюминий на какой-нибудь другой металл.
Это часто делается с использованием расплавленной соли хлорида алюминия. В расплавленной соли ионы алюминия и хлора имеют тенденцию образовывать длинные цепочки чередующихся атомов. Когда алюминий наносится на поверхность, он имеет тенденцию выходить из центра этих цепочек, а физическая масса остальной части цепи облегчает это на плоской поверхности.
В расплавленной соли ионы алюминия также могут быстро перемещаться от одного электрода к другому. Большая проблема заключается в том, что хлорид алюминия плавится только при 192 ° C. Но смешивание небольшого количества хлорида натрия и хлорида калия снизило температуру до 90 ° C — ниже точки кипения воды и совместимо с большим количеством дополнительных материалов.
Сэндвич с солью
При этом у исследователей было две трети батареи. Одним из электродов был металлический литий, а электролитом — жидкий хлорид алюминия. Остается определить второй электрод. Здесь было много примеров хранения алюминия как химического соединения с элементами ниже кислорода в периодической таблице, такими как сера или селен. В целях визуализации команда работала с селеном, создавая экспериментальный элемент батареи и подтверждая, что он ведет себя в соответствии с ожиданиями.
Визуализация алюминия показала, что после нескольких циклов зарядки и разрядки поверхность стала несколько неровной, но из нее не выходили большие или заостренные выступы, которые могли бы повредить батарею. Реакции на селеновом электроде, по-видимому, фактически начинаются в расплавленной соли, а затем заканчиваются на поверхности электрода. В целом, ячейка показала стабильную производительность в течение десятков циклов и высокую емкость на единицу веса, которую должен обеспечивать алюминий. Итак, команда перешла к созданию и тестированию элементов, которые их действительно интересовали: алюминиевая сера.
При низких скоростях разряда алюминиевые серные элементы имели зарядную емкость на единицу веса, которая более чем в три раза превышала емкость литий-ионных аккумуляторов. Эта цифра снижалась по мере увеличения скорости заряда/разряда, но производительность оставалась превосходной. Если элемент разряжался в течение двух часов и заряжался всего за шесть минут, его зарядная емкость на единицу веса все равно была на 25 % выше, чем у литий-ионных аккумуляторов, и сохраняла примерно 80 % этой емкости после 500 циклов — намного больше того, что вы можете себе представить. d см. с большинством литиевых химикатов.
Если вы сократите время зарядки до чуть более минуты, емкость на единицу веса будет примерно равна емкости литий-ионной батареи, и более 80 процентов этой емкости все еще будут доступны после 200 циклов. Батарейный элемент мог даже выдержать полную зарядку менее чем за 20 секунд, хотя емкость на единицу веса была лишь немногим более половины того, что можно было бы получить от литий-ионного аккумулятора.
