Водные батареи получили повышение производительности благодаря усовершенствованной конструкции электродов, разработанной исследователями из Альберты с целью более безопасного хранения.
Исследователи нашли способ сделать перезаряжаемые батареи на водной основе намного более эффективными, чем те, которые доступны в настоящее время.
Университет Альберты
Инженеры-исследователи из Университета Альберты разработали метод, позволяющий значительно улучшить производительность аккумуляторных батарей на водной основе, позиционируя их как более безопасную и доступную альтернативу традиционным литий-ионным элементам.
Аккумуляторы на водной основе (водные) существуют с XIX века. Свинцово-кислотный аккумулятор, изобретённый в 1859 году и до сих пор широко используемый для запуска автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, — хорошо известный пример.
Однако водные батареи уже давно сталкиваются с серьезными ограничениями, включая низкую плотность энергии, ограниченное напряжение и недостаточную емкость.
Эти недостатки не позволяют использовать их для питания электромобилей или в качестве надежного хранилища возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая энергия.
Переосмысление конструкции ядра батареи
В отличие от них, литий-ионные аккумуляторы обладают такими преимуществами, как высокая плотность энергии, быстрая зарядка, длительный срок службы и лёгкость конструкции. Однако их использование сопряжено со значительными рисками и расходами, включая возможность возгорания или взрыва.
Теперь материаловед Сяолей Ван и докторант Чжисяо Сюй с кафедры химической технологии и материаловедения университета утверждают, что им удалось совершить прорыв, который сокращает разрыв в производительности.
В ходе исследования была разработана усовершенствованная структура электрода, которая повышает ключевые показатели производительности водных аккумуляторов, включая плотность энергии, скорость зарядки и срок службы.
«Водные батареи дешевле, их легко утилизировать, поскольку мы используем только воду, и они нетоксичны и невоспламеняемы, — объясняет Ван. — Но проблемой всегда была производительность».
Аккумуляторы из органических материалов, например, водного типа, обычно имеют низкую электропроводность. Чтобы компенсировать это, часто добавляют дополнительный углерод, но это уменьшает пространство для материалов, аккумулирующих энергию, что ещё больше ограничивает энергоёмкость аккумулятора.
Команда Вана решила эту проблему, перепроектировав электрод аккумулятора — компонент, в котором хранится энергия. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, использующих органические растворители, в водных аккумуляторах для передачи электрического тока между катодом и анодом используется электролит на водной основе.
Разработав так называемые герметичные органические электроды, команда достигла значительных результатов: повышенной химической активности, электропроводности, термостойкости, механической прочности и адгезионных свойств.
«В результате они заряжаются быстрее, служат дольше и хранят гораздо больше энергии, превосходя теперь почти все другие органические батареи», — говорит Ван.
Масштабирование чистого хранилища
На данный момент команда продемонстрировала технологию, используя как элементы размером с монету, так и более крупные прототипы, размером с небольшой пакет для сэндвичей. Хотя лабораторные результаты обнадёживают, Ван признаёт, что масштабирование до более крупных форматов аккумуляторов остаётся ключевой задачей.
Следующим этапом станет привлечение отраслевого партнера, который поможет масштабировать технологию для реальных приложений.
«Мы стремимся создавать эти аккумуляторы для крупномасштабного (промышленного) хранения энергии. Но если мы сможем достичь сопоставимой производительности для электромобилей при меньших затратах и соблюдении требований безопасности, почему бы и нет?»
В настоящее время команда университета ищет коммерческих партнеров для вывода на рынок их конструкции герметичного органического электрода, что станет потенциальным шагом вперед в поиске более безопасных и масштабируемых решений по хранению энергии.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
