Способ повысить энергетическую емкость щелочных батарей и аккумуляторов в полтора раза по сравнению с обычными литий-ионными батареями нашли российские ученые. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Electrochimica Acta.
Проблемой литий-ионных батарей, которые широко используются в цифровых устройствах, медицинских приборах, промышленных инструментах, космических зондах, автомобилях, в том, что их емкость относительно невысока. Способы, которые позволяют повысить емкость, одновременно либо серьезно уменьшают срок службы батареи и ограничивают ее КПД, либо делают ее нестабильной и потому непригодной для использования.
Один из авторов исследования Олег Дрожжин, химик из МГУ, в комментарии РИА «Новости» указал, что главный способ – это повышение рабочего напряжения аккумулятора. Чем выше оно, тем больше энергии он может запасти. Но каждый тип электролита пригоден для работы с конкретным диапазоном напряжений, понижение или повышение его приводит к проблемам, которые мешают использовать батарею.
Повышение концентраций солей лития в электролите делает его опасным в использовании, а альтернативные соли лития, у которых этой проблемы нет, слишком дороги. Поэтому их применение в промышленных масштабах невозможно.
Авторы статьи попытались найти компромисс между стабильностью при высоком напряжении, высокой эффективностью и стоимостью электролита. Для этого они использовали тетрафторборат лития (LiBF4) – дешевую, изученную и стабильную соль. Опыты показали, что ее раствор может запасать энергию при высоких напряжениях, а повышение его концентрации не приводит к разрушению электродов и взрывам. Кроме того, эти батареи вели себя стабильнее, меньше теряли емкость при перезарядке и не снижали показатель емкость и повышении концентрации соли.
Дрожжин с коллегами надеются, что вскоре их идею применят в промышленности, то есть используют при создании щелочных аккумуляторов нового типа, ключевым компонентом которых будет не литий, а калий или натрий. Эти аккумуляторы по емкости не смогут превзойти своих привычных собратьев, но обойдутся значительно дешевле, а значит, пригодятся для использования в «банках электричества».
Работа ученых поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов.
Отметим, что о проблемах литий-ионных аккумуляторов говорится с момента начала их массового использования. Самые громкие случаи из тех, что попадают в прессу, – это взрывы батарей в смартфонах, выход из их строя в самолетах во время полета.
Основная проблема – это слишком сильный разогрев электролита из-за превышения допустимой температуры или из-за короткого замыкания внутри ячейки. Происходит это из-за неполадок в контроллере, отвечающем за процесс, или технического брака. К этому могут привести удары, пробои, проколы, перегрев батареи на солнце. Влияют на батарею чрезмерно быстрая зарядка или переохлаждение. В случае короткого замыкания сначала температура повышается до 70-90 °С, после чего начинается процесс разрушения. Дальше температура растет без остановки: с достижением температуры в 660 °C плавится алюминий токоприемника, а при 900 °C разлагаются внутренние компоненты аккумулятора и происходит взрыв. Физики ищут способ решить проблему запуска такой реакции, но это только сделает их производство дороже.
Подробнее в сюжете: Мир науки