Чем заменить литий ионный аккумулятор?
- В поисках лучшего
- Натрий-ионные АКБ как замена литий-ионных
- Достижения Na-ion технологии
- Усовершенствование Li-ion технологии
- Использование кремниево-полимерных анодов
Вопреки преуспеванию литий-ионной технологии и массовому применению Li-ion аккумуляторов, изобретатели не останавливаются на достигнутом. Они продолжают работать над усовершенствованием имеющихся и открытием новых аккумуляторных технологий. Исследования в этой сфере продолжаются и вполне возможно, что со временем появится достойная замена литиевых аккумуляторов. Так, как в свое время Li-ion элементы заменили устаревшие Ni-Cd и Ni-MH модели.
В поисках лучшего
Ученые убеждены в неизбежности прогресса и стремятся создать еще более совершенные накопители энергии. Многие из них хотят заменить литий-ионные АКБ аналогами с еще большим циклическим ресурсом, недорогим и экологически чистым составом, увеличенной удельной емкостью, расширенным диапазоном рабочих температур, стойкостью к высоким токовым нагрузкам и другими преимуществами. К тому же, запасы лития исчерпаемы, его добыча существенно вредит экологии, а при некорректной утилизации химические элементы загрязняют почву, грунтовые и поверхностные воды.
Считается, что аккумуляторы будущего должны:
- иметь увеличенную емкость без ущерба для остальных рабочих параметров;
- быстрее заряжаться и дольше работать на одном заряде;
- обеспечивать стабильно высокую токоотдачу при питании мощного оборудования;
- сохранять хорошие рабочие характеристики на морозе и при высоких температурах;
- эффективно работать годами или даже десятилетиями;
- иметь чистый состав без тяжелых металлов и токсичных компонентов;
- быть доступными, сверхнадежными и абсолютно безопасными в эксплуатации.
Натрий-ионные АКБ как замена литий-ионных
В качестве перспективной замены Li-ion аккумуляторов исследователи рассматривают разные электрохимические системы, в т. ч. модели с ионами натрия. Сейчас они проходят этап доработки и оттачивания технологических решений. Тем не менее, такая замена считается одной из наиболее перспективных.
Натрий – доступный щелочной металл, содержащийся в морской воде и запросто извлекаемый из нее. Но его ионы на ¼ крупнее ионов лития, медленнее передвигаются и не так легко проникают в структуру электродов. Чтобы нивелировать этот недостаток, изобретатели изменили структуру анода. За счет увеличения межслойных зазоров, измененный анод лучше встраивает в свою структуру ионы натрия. Например, хорошие результаты были достигнуты при замене электродов на материалы с пористым слоистым строением.
Теоретическими плюсами Na-ion ячеек выступают:
- доступное сырье;
- состав без лития, кобальта и других металлов, добыча которых сопряжена с множеством проблем;
- цена на 80% меньше, чем у аналогичных аккумов с ионами лития;
- экологически чистый состав;
- нечувствительность к полным разрядам;
- долгий срок службы с сохранением исходных рабочих параметров – стабильная работа на протяжении 5–10 лет;
- медленное старение – снижение емкости наилучших экспериментальных моделей составляет 5% после 100 циклов заряд-разряд и 16% по прошествии 500 циклов;
- возможность производства на заводах по изготовлению литий-ионных аккумуляторов;
- у образцов с твердым электролитом – стойкость к появлению дендритов и связанных с ними внутренних коротких замыканий.
Достижения Na-ion технологии
В 2019 году китайские исследователи испытали огромную натрий-ионную АКБ энерговооруженностью 100 кВт·ч, в состав которой вошло свыше 600 ячеек. С ее помощью было организовано независимое электроснабжение здания исследовательского центра. Изобретатели из Сеульского национального университета также решили заменить литий-ионные аккумуляторы натрий-ионными и создали модель с электродами из ванадия. В результате была достигнута впечатляющая удельная емкость образцов – около 600 Вт·ч/кг.
Швейцарские ученые также преуспели в развитии Na-ion аккумов. Они изобрели порошкообразный электролит из клозобората, обеспечивающий прекрасную проводимость ионов натрия. Используя его с катодом из оксида NaCrO2 и натриевым анодом, они получили образец с удельной емкостью ≈85 мА·ч/г, номинальным вольтажом 3 В и сохранением 80% емкости по прошествии 250 рабочих циклов.
Работают над заменой Li-ion батарей и исследователи из Токийского университета. В их разработке катод выполнен из натрия, а анод – из сочетания оксидов железа, натрия и марганца, причем анодный материал 12 часов прогревался при 900 °С. Полученный образец получил удельную емкость 190 мА·ч/г и номинальное напряжение 2,75 В. Чтобы повысить номинальное напряжение до 3 В, можно применить катод из диоксида титана или графита.
В МГУ им. М.В. Ломоносова также осуществляются работы по усовершенствованию литий-ионных и созданию натрий-ионных элементов питания. Для изготовления катода специалисты химического факультета применяют оксиды Li (Co, Ni, Mn, Al)O2, Na (Fe, Ni, Mn)O2, а также исследуют инновационный материал Na3V2 (PO4)3. В 2019 году исследователями МГУ был запатентован материал для изготовления катодов β-NaVP2O7. Аноды создаваемых образцов московские изобретатели делают из материала Hard Carbon, в который хорошо внедряются ионы натрия.
Усовершенствование Li-ion технологии
Многие ученые убеждены, что элементы питания с литием нужно не заменять кардинально новыми изобретениями, а совершенствовать. По их мнению, эта технология стала вершиной эволюции химических источников тока. И хотя в окислительно-восстановительной реакции между катодом и анодом может участвовать 90 элементов из таблицы Менделеева, литий среди них – лучшее активное вещество для изготовления катода. У него минимальная масса, минимальный электродный потенциал (–3,05 В) и максимальная токовая нагрузка (3,83 А·ч/г).
Не зря на протяжении 30 лет продолжается совершенствование литиевых АКБ. Используя разное сочетание материалов с неизменно присутствующим в них литием, изобретатели получают подвиды Li-ion накопителей энергии с необходимыми характеристиками. И хотя самыми распространенными остаются модели с катодом из оксида литий-кобальта (у них отличное сочетание напряжения, емкости и токоотдачи), со времени их появления были созданы и более емкие, и высокотоковые элементы с немного измененной химической структурой.
Использование кремниево-полимерных анодов
Ученые используют разные способы, чтобы повысить емкость Li-ion ячеек и улучшить другие их характеристики. Так, исследовательские группы из POSTECH и Южнокорейского Университета Соганг решили заменить традиционный материал анода (графит) слоистым полимером с высокими показателями стабильности и надежности. Ожидается, что такая замена графитового анода на кремниевый анод с многослойно заряженными полимерами (чередование слоев полимеров с плюсовыми и минусовыми зарядами) приведет к возрастанию емкости в 10 раз.
При этом полимерные связующие препятствуют увеличению объема Si-анода при встраивании ионов. Ковалентная межмолекулярная связь полимера обеспечивает химическое сшивание компонентов. Для восстановления межмолекулярных связей используют возможности кулоновских сил и обратимые водородные связи. Результаты исследований по применению кремниевого анода южнокорейские ученые представили в Advanced Functional Materials.
Сегодня накопители энергии с ионами лития остаются неизменными лидерами и самыми эффективными элементами питания, т.к. полноценно заменить их пока нечем.
Предлагаем к прочтению статью из блога VirtusTec.ru о том, на сколько хватает АКБ квадрокоптера.
