Крем для кожи помог в создании негорючих литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы зарекомендовали себя как одна из самых эффективных технологий хранения энергии, имеющихся в нашем распоряжении. К сожалению, у них есть довольно явно выраженная ахиллесова пята: неводный электролит, который неплохо горит и в результате представляет серьезную пожароопасность.
Такие аккумуляторы окружают нас - они есть в смартфонах, умных часах, автомобилях и даже в наушниках. И постоянно появляются сообщения о том, что они взрываются и приводят к травмам, смертям и порче имущества, так что проблема безопасности Li-ion аккумуляторов стала очень серьезной.
И достаточно далеко в решении этой задачи продвинулись исследователи из Китайского университета в Гонконге (CUHK), которые разработали негорючий, экологически чистый и недорогой водный электролит на основе ингредиента, используемого в кремах для кожи, который все еще может обеспечить высокую плотность энергии в отличие от предыдущих электролитов на водной основе.
"Если вы хотите полностью устранить проблему пожароопасности литиевых батарей, использование электролита на водной основе является наиболее эффективной стратегией", - объяснила профессор Йи-Чун Лу, которая руководила исследованием в CUHK. "Когда мы разрабатывали этот проект, нашей целью было создание электролита на водной основе, который обеспечивал бы высокое напряжение при сохранении низкой стоимости и оставался бы при этом экологически чистым".
В настоящее время неводные электролиты широко распространены в современных литий-ионных аккумуляторах по двум причинам. Во-первых, они обеспечивают высокую плотность хранения энергии (100-400 ватт-часов на килограмм (Втч/кг)). Во-вторых, в воде электролиз, то есть ее разложение на кислород и водород, начинает идти уже при 1.23 В - в разы ниже, чем нужно современной технике.
В качестве альтернативы неводным электролитам исследователи используют высококонцентрированные соли в водных электролитах, чтобы достичь стабилизации молекул воды и тем самым поднять рабочее напряжение, а также попытаться приблизиться к плотности энергии неводных электролитов. Однако эти соли являются дорогими и токсичными, что заставляет производителей возвращаться к неводным электролитам.
"В то время как водные электролиты используются уже много лет, существующие электролиты на водной основе жертвуют окном рабочих напряжений или увеличивают стоимость и токсичность аккумулятора в обмен на большую безопасность", - говорит Йи-Чун Лу.
В поисках решения этой проблемы Йи-Чун Лу и ее команда в CUHK обратились к природе, чтобы использовать процесс, известный как "молекулярное объединение", в качестве недорогой и экологически чистой альтернативы токсичным солям. Молекулярное объединение - это распространенное явление в живых клетках, описывающее процесс, при котором свойства молекул раствора могут быть существенно изменены, когда макромолекулы (белки, сложные сахара, полисахариды и т. д.) или небольшие гидрофильные молекулы (метаболиты, осмолиты) достигают определенного уровня концентрации. Вследствие перенаселенности окружающей среды активность водного растворителя снижается из-за изменения структуры водородной связи воды.
Общий принцип работы Li-ion аккумулятора
В своем исследовании Йи-Чун Лу и ее команда использовали вещество под названием полиэтиленгликоль (ПЭГ) для получения молекулярного объединения в электролите. ПЭГ является водорастворимым полимером, который может быть легко включен в водные батареи. Он также является основой многих кремов для кожи, и даже используется в зубных пастах и в качестве антипенного агента в пище и напитках.
Используя этот новый стабилизирующий агент, катод из LiMn2O4 и анод из Li4Ti5O12, команда успешно расширила окно рабочих напряжений водного электролита до 3.2 Вольт и продемонстрировала стабильную работу батареи с относительно высокой плотностью хранения энергии в 75-100 Втч/кг, которая находится на уровне нижнего предела для типичных неводных литий-ионных аккумуляторов.
Йи-Чун говорит, что это не конец и есть куда расти. "Используя гелевое покрытие в нашем новом электролите мы достигли напряжения на батарее в 4.0 В с использованием литиевого анода", - сказала она. "При надлежащем усовершенствовании электрода и электролита плотность энергии, возможная для этого класса водных батарей, должна быть такой же, как и для типичных неводных, скажем, от 200 до 260 Втч/кг".
Проверка совместимости электролита с большим количеством материалов, используемых в электродах, является предметом текущих исследований и одной из инженерных задач при переходе технологии от лабораторного прототипа к промышленному производству. Исследователи также планируют увеличить долговечность новых неводных батарей: на данном этапе они выдерживают около 300 циклов перезарядки, тогда как для типичных неводных Li-ion аккумуляторов эта цифра составляет около 500.
Новый электролит абсолютно негорюч
Что касается коммерциализации технологии, то команда из CUHK еще не сотрудничала с коммерческими производителями аккумуляторов для разработки прототипов, но сейчас они активно ищут промышленных партнеров. К тому же они подали заявку на патент на электролит в США.
При этом они считают, что у таких аккумуляторов большое будущее. "Низкая стоимость, высокое напряжение и высокая безопасность - наши основные преимущества", - сказала Йи-Чун Лу. "Мы ожидаем большое количество коммерческих предложений в тех отраслях, где требуются сверхбезопасные батареи".
По словам Йи-Чун Лу, безопасность в больших батарейных комплексах является более насущной проблемой, чем в портативных электронных устройствах меньшего размера. "Я думаю, что эта технология будет очень привлекательна для аккумуляторов к солнечным или ветряным электростанциям, а также для электромобилей" - говорит она. При этом Йи-чун не отрицает, что с ростом плотности хранения энергии такие аккумуляторы начнут появляться в более мелких устройствах, такие как смартфоны и ноутбуки.
