Возможно ли построить меньший, но длинный

Литий-ионные аккумуляторы теперь стали незаменимы в домах по всему миру. Благодаря превосходному хранению энергии, небольшому весу и потенциалу перезарядки эти батареи в настоящее время широко используются в электромобилях (EV) и других бытовых устройствах хранения энергии.

Но возможно ли создать более долговечные и меньшие по размеру литий-ионные батареи равной или большей емкости? Ответ: да. Исследователи во всем мире сейчас работают над увеличением емкости литий-ионных батарей и прокладывают путь к тому, чтобы сделать их легче и меньше.

Эти батареи содержат две клеммы — катод (положительная клемма) и анод (отрицательно заряженная клемма), электролит (полужидкий элемент) и сепаратор посередине. Обычно катодная сторона состоит из лития, а анод - из графита. Вся работа этих литий-ионных батарей вращается вокруг движения ионов лития и электронов во время зарядки и разрядки.

Их еще называют литий-кислородными батареями. Они могут хранить в десять раз больше энергии, чем обычные литий-ионные батареи. Их энергетические мощности сопоставимы с энергией, которую дает ископаемое топливо. Однако им еще предстоит стать жизнеспособным решением для коммерческого использования.

Согласно конструкции в этих батареях один из электродов выполнен из лития, а другая сторона — из газодиффузионного электрода. При использовании этих батарей ионы лития перемещаются от катода через электролит к аноду, где они соединяются с кислородом, образуя оксид лития и генерируя электричество.

Однако хорошая новость заключается в том, что группа исследователей работает над тем, чтобы добиться успеха. Команда из Ольденбургского университета в Германии начала работать над продлением срока службы этих батарей и превращением литий-кислородных батарей в реальность. Проект получил название «Альтернативные материалы и компоненты для апротонных литий-кислородных аккумуляторов: химия и стабильность неактивных компонентов» (AmaLiS 2.0). Федеральное министерство образования и исследований выделило команде проекта 1,1 миллиона евро.

Команда работает над тестированием новой идеи, согласно которой они планируют разделить катод и анод с помощью мембраны, покрытой с обеих сторон. Кроме того, команда хочет использовать два разных электролита для двух сторон батареи. Наконец, они также хотят попробовать карбид титана в качестве материала для одного из электродов.

Помимо работ над литий-кислородными батареями, несколько исследователей, производителей электромобилей и других компаний работают над заменой графита на аноде кремнием, еще одним важным элементом. Преимущество кремния состоит в том, что он удерживает ионы лития в десять раз больший вес, чем графит, при использовании в аноде.

Но существуют технические препятствия, которые помешали его использованию, несмотря на его преимущества. Во-первых, его использование часто обвиняют в объемном расширении анода при нагрузке ионами лития, что часто приводит к разрушению материала. Это объясняется сжатием и расширением анода с использованием кремния.

Однако хорошая новость заключается в том, что исследователи работают над прорывом в этой технологии. Например, General Motors и OneD Battery Sciences работают над анодом из кремниевых нанотехнологий. Команда заявила, что эти реструктурированные батареи будут использоваться во внедорожнике Mercedes G-класса к концу 2026 года. Аналогичным образом, Group14 Technologies пообещала установить кремниевую батарею в свой Porsche EV к 2024 году.

По мнению исследователей, кремний обладает уникальными характеристиками, такими как долговечность и быстрая зарядка, которые могут сделать будущие электромобили более доступными, эффективными и даже меньшими. Более того, благодаря его огромному распространению, его использование в качестве альтернативы графиту может также сделать производителей независимыми от графита, который до сих пор встречается в очень немногих странах, таких как Китай.

Ранее даже мега-бренд электромобилей Tesla также пытался увеличить емкость своих батарей, добавляя всего лишь 5 процентов кремния в анод батареи. Более того, несколько других исследователей и компаний инвестируют в исследования и разработки по использованию кремния вместо графита, чтобы уменьшить зависимость от импорта и повысить эффективность литий-ионных батарей.