Небывалая долговечность батарей с титаном

Новые технологии накопителей электроэнергии придают литий-ионным батареям те нужные качества, которые позволят аккумуляторам взобраться на следующую ступень своего развития. Потребители же получат выгоду от этих технологий повсеместно – от мобильных гаджетов до электромобилей.

Инженеры, поставившие на ноги технологии литий-ионных батарей, проделали большую работу. Без них сейчас сложно представить современный мир. Вы же не будете носить с собой опасный и тяжёлый свинцовый аккумулятор? Даже если бы вы захотели, это вряд ли бы получилось. Отдельный рюкзак для батареи никто бы не захотел носить. Про мобильность привычных компактных устройств пришлось бы только мечтать.

Но даже лучшие умы не в состоянии при сложившемся положении вещей дать ещё больше для потребителя. Развитие литий-ионных аккумуляторов как таковых достигло своего предела.

Электрод на основе карбида титана. 1)до первого цикла работы, 2)после первого цикла, 3)после сотни рабочих циклов. Заметна низкая степень деградации электрода после начала эксплуатации. Как видно, сто циклов – далеко не предел для этого типа аккумуляторов.

"Камо грядеши"

Один из наиболее интересных «аккумуляторов завтрашнего дня» - литий-воздушный. Его принцип работы имеет много схожего со сжиганием топлива. Окисляясь, литий даёт больше энергии на единицу объёма и веса, чем многие современные батареи. И даже больше чем «новое веяние» в виде литий-серных аккумуляторов. Окислителем, как следует из названия, выступает воздух, что позволяет литий-воздушной батарее не «съедать» лишний объём и массу устройства.

Конечно же, есть и недостаток: весьма небольшой срок службы. Кроме окисления литий реагирует с электродами и электролитом, отбирая у них углерод, тем самым образовывая карбонат лития. Этот материал довольно стабилен. И если окислённый литий при зарядке аккумулятора восстанавливается, то с карбонатом этого не происходит. Каждый цикл провоцирует возрастание количества карбоната, лития способного окислиться становится всё меньше. Такие аккумуляторы «живут» всего несколько десятков циклов, что просто не оставляет им шансов на долгосрочную работу.

Титановое решение

Учёные из шотландского университета в Сент-Эндрюсе, возглавляемые Питером Брюсом попытались внести изменения в электрод и электролит. Последний был изготовлен не из привычной смеси тетраэтиленгликоля и диметилэфира, а из диметилсульфоксида. Молекула этого вещества имеет в составе всего 2 атома углерода с формулой [(CH3)2SO], «старая» же смесь имела их десять на одну молекулу. На выходе получаем намного менее интенсивное формирование карбоната лития с этим электролитом.

Но проблема более стабильного материала для электрода оставалась. Теоретически им могло служить нанопористое золото, которое известно своей стабильностью. Но этот вариант оказался недееспособным ввиду дороговизны и большого веса готовой батареи. В этот момент ученые обратили внимание на карбид титана (TiC) – действительно устойчивое соединение, переносящее электроны.

Два решения объединили в одну батарею и результат оказался впечатляющим. Такой литий-воздушный аккумулятор сохранял свыше 98% своей ёмкости после ста циклов работы. Контрольный же образец обычной батареи «выжил» на протяжении всего лишь 25-ти циклов несмотря на использование меньшей плотности тока и ёмкости. Минимальное накопление карбоната лития позволило избавиться от углекислого газа при разрядке батареи.

В конечном счёте количество побочных реакций удалось уменьшить в 40 раз. По предположениям учёных, новый тип батарей способен будет выдержать более тысячи циклов работы, при этом потеряв всего 2% от ёмкости.

Сейчас учёные работают над увеличением устойчивости батареи к температурам и увеличением циклов работы нового типа аккумуляторов. На сегодняшний день литий-ионные источники энергии остаются наиболее эффективными и практичными для нужд современной электроники.