Новая концепция недорогих аккумуляторов

По мере того, как мир строит все более крупные установки ветряных и солнечных электростанций, быстро растет потребность в экономичных крупномасштабных резервных системах для обеспечения энергией, когда солнце садится и воздух спокоен. Сегодняшние литий-ионные батареи все еще слишком дороги для большинства таких приложений, а другие варианты, такие как гидронасосы, требуют особой топографии, которая не всегда доступна.


Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран разработали новый тип батарей, полностью изготовленных из доступных и их материалов, которые могут помочь заполнить этот пробел.

Новая архитектура батареи, в которой в качестве двух электродных материалов используются алюминий и сера, а между ними находится расплавленный солевой электролит, описана в журнале. Природав статье профессора Массачусетского технологического института Дональда Садовея вместе с 15 другими учеными из Массачусетского технологического института, а также из Китая, Канады, Кентукки и Теннесси.

«Я хотел изобрести что-то, что было бы лучше, намного лучше, чем литий-ионные ы для небольших стационарных аккумуляторов и, в конечном счете, для автомобилей. [uses]— объясняет Садоуэй, почетный профессор химии материалов Джона Ф. Эллиотта.

Помимо дороговизны, литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющийся электролит, что делает их менее чем идеальными для транспортировки. Итак, Садоуэй начал изучать периодическую таблицу в поисках дешевых, распространенных на Земле металлов, которые могли бы заменить литий. По его словам, коммерчески доминирующий металл, железо, не имеет необходимых электрохимических свойств для эффективной батареи. Но вторым по распространенности металлом на рынке — и фактически самым распространенным металлом на Земле — является алюминий. «Итак, я сказал, что давайте просто сделаем из него подставку для книг. Она будет из алюминия», — говорит он.

Затем нужно было решить, с чем соединить алюминий для другого электрода и какой тип электролита поместить между ними для переноса ионов туда и обратно во время зарядки и разрядки. Самым дешевым из всех неметаллов является сера, поэтому она стала вторым электродным материалом. Что касается электролита, «мы не собирались использовать летучие легковоспламеняющиеся органические жидкости», которые иногда приводили к опасным пожарам в автомобилях и других областях применения литий-ионных аккумуляторов, говорит Садоуэй. Они попробовали некоторые полимеры, но в итоге нашли множество расплавленных солей с относительно низкой температурой плавления — близкой к температуре кипения воды, в отличие от почти 1000 градусов по Фаренгейту для многих солей. «Как только вы достигаете температуры, близкой к температуре тела, становится практичным» производить батареи, не требующие специальной изоляции и антикоррозионных мер, — говорит он.

Три ингредиента, которые они получили в итоге, дешевы и легко доступны: алюминий, ничем не отличающийся от фольги в супермаркете; сера, которая часто является отходом таких процессов, как переработка нефти; и широкодоступные соли. «Ингредиенты дешевы, а вещь безопасна — она не может гореть», — говорит Садоуэй.

В своих экспериментах команда показала, что аккумуляторные элементы могут выдерживать сотни циклов при исключительно высоких скоростях зарядки, при этом прогнозируемая стоимость одного элемента составляет примерно одну шестую стоимости сопоставимых литий-ионных элементов. Они показали, что скорость зарядки сильно зависит от рабочей температуры: при 110 градусах Цельсия (230 градусов по Фаренгейту) скорость зарядки в 25 раз выше, чем при 25 градусах Цельсия (77 градусов по Фаренгейту).

Удивительно, но расплавленная соль, выбранная командой в качестве электролита просто из-за ее низкой температуры плавления, оказалась случайным преимуществом. Одной из самых больших проблем с надежностью батареи является образование дендритов, которые представляют собой узкие металлические шипы, которые накапливаются на одном электроде и в конечном итоге перерастают в контакт с другим электродом, вызывая короткое замыкание и снижая эффективность. Но эта конкретная соль, оказывается, очень хорошо предотвращает эту неисправность.