Российские ученые нашли способ, как увеличить работу батареи в смартфоне до 70 лет
Дефицит и сложность добычи сырья для изготовления классических литий-ионных аккумуляторов заставляют искать новые материалы, а рост потребности в накопителях — более эффективные технологии. Российские ученые пошли сразу двумя путями: они изобрели двухионную батарею, в которой использовали синтезированное полимерное сырье. Результаты превзошли ожидания — новый аккумулятор способен держать зарядку больше 25 000 циклов работы, а это до 70 лет для обычного смартфона.
Химики РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИПХФ РАН и Сколково нашли способ, как заряжать аккумуляторы за несколько секунд. Новые литиевые двухионные батареи выдерживают более 25 000 циклов — такой мощности хватит на 70 лет работы телефона. В ходе эксперимента, о котором опубликован отчет в журнале Energy Technology, показали также обнадеживающую плотность энергии калиевые PDPAPZ. В качестве катодного сырья ученые использовали синтезированные полимерные материалы.
Зачем нужна альтернатива
Современные смартфоны и цифровые фотоаппараты, ноутбуки и видеокамеры, электроинструмент и электроавтомобили — это только часть устройств, которые работают на литий-ионных накопителях (ЛИА). Изобретение таких мощных, емких, обеспечивающих быструю зарядку батарей стало техническим прорывом, достойным Нобелевской премии. Сфера их применения постоянно расширяется и уже коснулась глобальных энергосистем. Растущие потребности человечества в электричестве заставляют не только увеличивать выработку, но и искать способы ее накопления. Так, в Австралии для запасов энергии, которую вырабатывают ветровые и солнечные станции, уже строят на основе ЛИА целую сеть энергонакопителей.
Фото: freepik.com/vectorpocket
Достоинства таких аккумуляторов не оспариваются: они имеют высокую энергоплотность, низкий разряд, в любой момент готовы к эксплуатации. Даже несмотря на незначительные недостатки, спрос на них только растет, так как на 2021 г. не существует достойной альтернативы. Но остро встает вопрос о дефиците сырья, из которого их изготавливают:
- Кобальт. Около 60% добывают в Конго. При росте производства накопителей цена на него неизбежно увеличится в разы.
- Литий. Добыча связана с большим расходом воды, а это уже вопрос экологической безопасности.
Неудивительно, что ученые не прекращают работы по поиску новых накопителей энергии. Сложность заключается в том, что нужно сохранить все преимущества и принцип работы ЛИА, но с применением более доступного и дешевого сырья.
Именно в этом направлении работали сотрудники Сколково и ИПХФ РАН, студенты института химии РХТУ. Они использовали постлитиевую технологию, которая позволила в разы увеличить скорость заряда. Кроме эксперимента с электрохимическими процессами, тестировались и новые материалы. Для изготовления катоды применили полимерные ароматические амины, синтезированные из органического сырья.
«У нашей группы уже были работы по полимерным катодам для сверхбыстрых аккумуляторов с хорошей ёмкостью, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд, но хотелось большего. Среди прочих, раньше мы использовали линейные полимеры, у которых каждое мономерное звено образует связи только с двумя соседями, а в этой работе мы продолжили изучение новых разветвленных полимеров, у которых каждое звено может образовывать связи как минимум с тремя другими звеньями. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов. С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться»
Филипп Обрезков, первый автор работы, аспирант Сколтеха
Принцип новой технологии
Обычный ЛИ аккумулятор состоит из двух частей с анодом и катодом, разделенных сепаратором. Вся емкость заполнена электролитом, который и содержит литий. Когда накопитель заряжен, атомы встраиваются в структуру анода. Во время разрядки они отделяются и переходят в катод.
Технология, разработанная учеными из России, предусматривает участие в процессе одновременно катионов и анионов лития, способных встраиваться и выходить из катода. Новые двухионные батареи заряжаются в разы быстрее классических ЛИА.
Фото: freepik.com/studiogstock
Второе направление работы — применение калий-содержащего электролита. Для этого синтезировали новые сополимеры:
- PDPAPZ — дигидрофеназина + дифениламина;
- PPTZPZ — дигидрофеназина + фенотиазина.
На основе этих разветвленных полимеров изготовили катоды. Для проверки возможностей нового сырья сделали прототип накопителя в виде полуячейки. В ходе эксперимента выяснили, что PPTZPZ не оправдал надежд, показав низкую стабильность работы.
PDPAPZ — подтвердил высокие характеристики:
- сохранение емкости 86% и 34% после 100 и 25 000 циклов, соответственно;
- стабильная работа;
- высокая плотность энергии —398 Вт-ч/кг, в отличие от литиевых с 200-250 Вт-ч/кг.
При таких характеристиках обычный смартфон после зарядки разряжался бы до 70 лет.
Вывод
Ученые из России экспериментальным путем доказали, что альтернатива классическим ЛИА существует.
Новая технология с применением полимерных катодных материалов позволяет создавать мощные литиевые и калиевые двухионные накопители.
Однако авторы изобретения не сообщили, когда реально будет запустить такие аккумуляторы в производство.
Автор: