Прорыв в разработке аккумуляторных батарей

Прорыв в разработке аккумуляторных батарей

Представьте себе мобильный телефон, который держит заряд больше недели, а затем заряжается за 15 минут. Фантастика? Но она может стать реальностью благодаря новому исследованию ученых Северо-Западного университета (г. Эванстон, штат Иллинойс, США). Команда инженеров разработала электрод для литиево-ионных перезаряжаемых батарей (которые сегодня используются в большинстве сотовых телефонов), позволивший увеличить их энергетическую емкость в 10 раз. Этим приятные сюрпризы не ограничиваются — новые аккумуляторные устройства умеют заряжаться в 10 раз быстрее нынешних.

Для преодоления ограничений, налагаемых существующими технологиями на энергетическую ёмкость и скорость заряда батареи, ученые применили два различных химико-технологических подхода. Полученный в результате аккумулятор позволит не только продлить время работы мелких электронных устройств (вроде телефонов и лэптопов), но и подготовить почву для разработки более эффективных и компактных батарей для электромобилей.

«Мы нашли способ продлить время удержания заряда новой литиево-ионной батареей в 10 раз», — сообщил профессор Гарольд Х. Кунг (Harold H. Kung), один из ведущих авторов исследования. – «Даже после 150 сеансов зарядки/разрядки, что означает не менее года работы, она остается впятеро эффективнее, чем литиево-ионные баратеи, присутствующие сегодня на рынке».

Работа литиево-ионной батареи основана на химической реакции, в которой ионы лития движутся между анодом и катодом, размещенными на противоположных концах батареи. В процессе эксплуатации аккумулятора ионы лития мигрируют от анода через электролит к катоду. При зарядке же их направление сменяется прямо противоположным. Существующие на данный момент аккумуляторы имеют два важных ограничения. Их энергетическая емкость – то есть время удержания заряда батареей – ограничена плотностью заряда, или тем, сколько ионов лития может разместиться на аноде или катоде. В то же время скорость зарядки такого аккумулятора ограничена скоростью, с которой ионы лития способны двигаться через электролит к аноду.

В нынешних перезаряжаемых батареях в аноде, созданном из множества графеновых листов, на каждые шесть атомов углерода (из которых состоит графен) может приходиться лишь один атом лития. В попытке увеличить энергетическую емкость аккумуляторов ученые уже экспериментировали с заменой углерода на кремний, способный вместить куда больше лития: по четыре атома лития на каждый атом кремния. Однако кремний в процессе зарядки резко расширяется и сжимается, чем вызывает фрагментацию вещества анода и, как результат, быструю потерю зарядной емкости батареи.

В настоящее время малая скорость зарядки батареи объясняется формой графеновых листов: по сравнению с толщиной (составляющей всего один атом) их длина оказывается непомерно большой. Во время зарядки ион лития должен преодолеть расстояние до внешних краев графеновых листов, а затем пройти между ними и остановиться где-то внутри. Так как для достижения середины графенового листа литию требуется немалое время, у краев его наблюдается что-то вроде ионного затора.

Как уже говорилось, исследовательская группа Кунга решила обе эти проблемы, взяв на вооружение две различные технологии. Во-первых, для обеспечения устойчивости кремния и, соответственно, поддержания максимальной зарядной емкости батареи, они разместили кластеры кремния между графеновыми листами. Это позволило увеличить количество ионов лития в электроде, одновременно используя гибкость графеновых листов для учета изменений объема кремния в процессе зарядки/разрядки батареи.

«Теперь мы одним выстрелом убиваем обоих зайцев», — говорит Кунг. – «Благодаря кремнию мы получаем более высокую плотность энергии, а чередование слоев уменьшает потерю мощности, вызванную расширением с сокращением кремния. Даже при разрушении кластеров кремния сам кремний больше никуда не денется».

Кроме того, исследователи использовали процесс химического окисления для создания миниатюрных (10-20 нанометров) отверстий в графеновых листах («in-plane defects»), обеспечивающих ионам лития «быстрый доступ» внутрь анода с последующим хранением в нем в результате реакции с кремнием. Это уменьшило время, необходимое для зарядки батареи, в 10 раз.

Пока что все усилия по оптимизации работы батарей были направлены на одну из их составляющих – анод. На следующем этапе исследований ученые с той же целью планируют изучить изменения в катоде. Кроме того, они хотят доработать электролитную систему таким образом, чтобы батарея могла автоматически (и обратимо) выключаться при высоких температурах – подобный защитный механизм мог бы пригодиться при использовании батарей в электромобилях.

По словам разработчиков, в текущем виде новая технология должна выйти на рынок в течение ближайших трех-пяти лет. Статья, посвященная результатам исследования и разработки новых аккумуляторных батарей, была опубликована в журнале «Advanced Energy Materials».

Источник: pozitivchik.info

Похожие новости:
Будущие батареи будут работать на сахаре
Исследователи из Токийского научного университета обратили свой пристальный взор на сахар в надежде, что с помощью данного продукта питания наконец-то удастся решить проблему растущих расходов, связанных с созданием литий-ионных батарей. Возможно, ученые обнаружили идеальный компонент для создания ..
2012-10-5 1900 2 Технология
0
Tesla раскрыла планы по строительству "гигафабрик"
Tesla строит целый комплекс заводов Gigafactory, на которых компания собирается выпускаться аккумуляторные батареи нового поколения и солнечные панели. Планы компании по их строительству довольно обширные. Первую такую «гигафабрику» по производству аккумуляторных батарей Tesla строит в пустыне в Неваде, ..
2017-03-05 5092 0 Технология
0
Новые японские батареи увеличат время работы смартфонов
Деловая газета Nikkei сообщила о новой инновационной технологии японских ученых. Компания Shin-Etsu Chemical разработала новейшую технологию производства литий-ионных аккумуляторных батарей. В состав батарей будет входить новый компонент, который увеличит емкость элементов питания ..
2013-08-3 1756 0 Технология
0
Ученые: солнечные батареи будут работать в ИК диапозоне
Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) совершили огромный прорыв в технологии солнечных батарей – ученые создали новый тип фотоэлементов, способных работать в инфракрасном диапазоне. До сих пор солнечные батареи не способны были функционировать в подобных условиях. Эта новая технология может ..
2012-06-26 2404 0 Технология
2
Ученые создали жидкое электричество
Ученые Массачусетского технологического института разработали технологию, которая поможет значительно ускорить процесс зарядки аккумуляторных батарей. Ключевым моментом в разработке является инновационный жидкий материал «Cambridge Crude», способный переносить на себе электрический заряд.Предполагается, что электромобили станут ..
2011-12-23 3721 0 Технология
0
Разработан новый электроскейтборд весом всего 9,9 кг
Компания Marbel презентовала новый электрический скейтборд, который по внешнему виду практически ничем не отличается от обычного. На нём не найдёшь портящих внешний вид и делающих неудобным аккумуляторных батарей и больших двигателей. По информации издания EnGadget, новое средство передвижения будет выполнено ..
2014-05-26 1116 0 Технология
0
Ученые увеличили КПД прозрачных солнечных батарей
Специалисты из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали эффективные прозрачные солнечные батареи. Это изобретение было сделано еще в прошлом году, но сейчас его создатели вдвое увеличили КПД батарей, сообщает «Азиатский репортер». Ученые из Калифорнийского института в Лос-Анджелесе смогли значительно увеличить эффективность прозрачных ..
2013-07-31 2277 0 Технология
0
Будущее аккумуляторных батарей в мобильных устройствах
В настоящей статье мы рассмотрим основные тренды, в которых по мнению экспертов будет двигаться прогресс в области создания аккумуляторных батарей. Последние десятилетия компьютерные технологии развиваются весьма бурно. В соответствии со знаменитым законом Мура, число размещенных на кристалле интегральной схеме ..
2014-02-04 1634 0 Технология
0
Новый метод повысит мощность солнечных батарей
Команда исследователей из Имперского колледжа в Лондоне обнаружила, что если разместить множество цилиндрических алюминиевых шипов на вершине солнечных батарей, то это может значительно повысить количество света, которое будет захватываться поглощающем слоем солнечных батарей, что повысит их мощность больше ..
2013-10-24 1978 0 Технология
1
Tesla подстраховала газовые электростанции большой батареей
Американская компания Tesla Motors 30 января 2017 года ввела в строй аккумуляторную систему хранения энергии, которая призвана компенсировать нехватку электроэнергии, вызванную отключением газовой электростанции. Как пишет The New York Times, батарея емкостью 80 мегаватт-часов заработала в Онтарио ..
2017-01-31 8112 0 Технология
0
Инженеры совершили прорыв в солнечной электроэнергетике
Исследователи шведского университета Лунда провели успешный эксперимент, который показал, что нанопровода могут быть использованы для производства солнечных батарей. Это позволит снизить стоимость батарей и улучшить их качество, сообщает «Новости Украины». «Наши результаты наглядно показали, что использование нанопроводов ..
2013-01-21 1680 0 Технология
0
Разработана новая технология анодов из кремниевых нанотрубок
Кремниевый анод, используемый в батареях, разрушается в течение нескольких циклов из-за воздействия электролита и деформации. Чтобы преодолеть эту проблему, группа исследователей во главе с Йи Кюи (Yi Cui) из Стэнфордского университета (Stanford University) и «SLAC» разработали кремниевые нанотрубки с двойными стенками, которые ..
2012-05-21 1706 0 Технология
0
В 2016 году в России начнется производство солнечных панелей
В следующем году в России начнется производство солнечных панелей на полупроводниковых гетероструктурах. КПД таких панелей в два раза выше современных, а стоимость – ниже. В разработке панелей принимал участие Жорес Иванович Алферов, российский лауреат Нобелевской премии по физике. «Изобретение ..
2015-09-15 3031 0 Технология
2
Ученые применят в солнечных батареях красители
Ученые из Йельского университета в шутку говорят, что будущее для некоторых солнечных батарей будет флуоресцентным. Они улучшили способность перспективных солнечных элементов поглощать свет и преобразовывать его в электрическую энергию путем добавления флуоресцентного органического красителя. Этот скюариновый краситель (squaraine dye) ..
2013-05-11 1699 0 Технология
0
Новая технология увеличивает КПД солнечных батарей
По словам ученых, материал, который разделяет частицы света на несколько пакетов энергии в конечном счете может сделать работу солнечных батарей более эффективной. Материал, известный как пентацен (pentacene), находясь в тонком слое покрытия солнечной батареи, может ..
2013-04-21 2833 0 Технология
0