Ученые из Стэнфордского университета изобрели первый высокопроизводительный алюминиевый аккумулятор, который быстро заряжается, долговечен и недорог. Исследователи говорят, что новая технология является безопасной альтернативой многих массово-производимых батарей сегодня.
«Мы разработали алюминиевый аккумулятор, который может заменить существующие устройства хранения энергии, такие как щелочные батареи, которые вредны для окружающей среды, а также литий-ионные батареи, которые иногда возгораются», — сказал Хонгжие Дай, профессор химии в Стэнфордском университете. «Наша новая батарея не загорится, даже если вы просверлите её насквозь.»
Профессор Дай и его коллеги описывают новые аккумуляторы в журнале Nature как: «сверх-быстро-перезаряжаемые алюминиево-ионные аккумуляторы».
Алюминий уже давно стал привлекательным материалом для батарей, в основном из-за его низкой стоимости, низкой горючести и высокой емкости заряда.
В течение многих десятилетий исследователи безуспешно пытались разработать коммерчески жизнеспособную алюминий-ионную батарею.
Основной задачей было найти материалы, способные производить достаточное напряжение после нескольких циклов заряда-разряда.
Графитовый катод
Алюминий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов: отрицательно заряженный анод из алюминия и положительно заряженный катод.
«Люди пробовали различные виды материалов для катода,» сказал Дай. «Мы случайно обнаружили, что простое решение заключается в использовании графита, который состоит в основном из углерода. В нашем исследовании мы определили несколько типов графитового материала, которые дают нам очень хорошую производительность.»
В экспериментальных батареях, команда Стэнфордского университета помещала в алюминиевый анод и графитовый катод в ионный жидкий электролит, в гибкий полимерный пакет с покрытием.
Исследователи Стэндфордского университета за работой над алюминиево-ионным аккуумлятором
«Электролит в основном состоит из растворов солей, а это жидкость при комнатной температуре, поэтому это очень безопасно,» — сказал аспирант Стэнфорда Мин Гун.
«Алюминиевые батареи безопаснее, чем обычные литий-ионные батареи, используемые в миллионах портативных компьютеров и мобильных телефонов на сегодняшний день, добавил профессор Дай. «Литий-ионные батареи могут стать причиной возникновения пожара», сказал он.
В качестве примера он указал на недавнее решение авиакомпании Юнайтед энд Дельта, запрещающее перевозить литиевые батареи на пассажирских самолетах.
«В нашем исследовании на видео мы показываем, что вы можете просверлить аккумуляторную оболочку, но они будут продолжать работу некоторое время и не загорятся», — сказал Дай.
Одним из достоинств аккумуляторов является их является ультра-быстрая зарядка. Владельцы смартфонов знают, что это может занять несколько часов, при зарядке литий-ионных аккумуляторов. Разработчики новых аккумуляторов заявили «беспрецедентную скорость», до одной минуты у прототипа аккумулятора.
Долговечность является еще одним важным фактором. Алюминиевые батареи, разработанные в других лабораториях обычно теряют емкость уже всего после 100 циклов заряда-разряда.
Батарея Стэнфордского университета в состоянии выдержать более 7500 циклов без какой-либо потери мощности. «Это первая модель алюминиево-ионных батарей, с ультра-быстрой зарядкой, со стабильностью в тысячи циклов», — пишут авторы.
Для сравнения: типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает около 1000 циклов.
«Другой особенностью алюминиевой батареи является гибкость,» — сказал Гонг. «Вы можете согнуть его и сложить, поэтому у аккумулятора есть потенциал для применения в гибких электронных устройствах. Алюминий также более дешевый металл, чем литий.»
Применение
В дополнение к использованию в портативных электронных устройствах, алюминиевые батареи могут быть использованы для хранения возобновляемой энергии в электросетях.
«Сетям нужна батарея с длительным жизненным циклом, которые могут быстро накапливать и выделять энергию», — объяснил Дай. «Наши последние неопубликованные данные свидетельствуют о том, что алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз. Трудно представить себе строительство огромного литий-ионного хранилища для сетевого резервирования.»
«Алюминий-ионная технология также предлагает экологически чистую альтернативу одноразовым щелочным батареям», — сказал Дай. «Миллионы потребителей используют элементы типа АА и ААА напряжением 1,5 вольт.
Наш аккумулятор генерирует около двух вольт электричества. Это выше, чем кто-либо добился с алюминием, но дальнейшее улучшение аккумулятора позволит достичь напряжения литий-ионных батарей » — добавил он.
«Пока плотность хранения алюминиево-ионных аккумуляторов составляет около 40 Втчас/кг, в то время как у литий-ионных 100-206 Втчас/кг.
Но улучшение катодного материала, в конечном итоге, может увеличить напряжение и плотность энергии.
В противном случае, наша батарея уже имеет все, что вы хотели иметь в батарее: недорогие электроды, хорошую безопасность, высокоскоростная зарядка, гибкость и длительный срок службы » — сообщил профессор Хонгжие Дай.
