Алюминий демонстрирует потенциал для более безопасных и дешевых батарей

Хорошей батарее нужны две вещи: высокая плотность энергии для питания устройств; и стабильность, поэтому его можно безопасно и надежно перезаряжать тысячи раз. За последние три десятилетия литий-ионные аккумуляторы господствовали, доказывая свою эффективность в смартфонах, ноутбуках и электромобилях.

Но исследователи аккумуляторов начали приближаться к пределам возможностей литий-ионных аккумуляторов. По мере того, как на рынке начинают появляться автомобили дальнего радиуса действия и электрические самолеты следующего поколения, поиск более безопасных, дешевых и мощных аккумуляторных систем, которые могут превзойти литий-ионные, набирает обороты.

Группа исследователей из Технологического института Джорджии под руководством инженера Мэтью Макдауэлла использует алюминиевую фольгу для создания батарей с более высокой плотностью энергии и большей стабильностью. Новая аккумуляторная система команды, подробно описанная в журнале Nature Communications, может позволить электромобилям работать дольше без подзарядки, будет дешевле в производстве и при этом окажет положительное воздействие на окружающую среду.

«Одним из преимуществ нашего алюминиевого анода является то, что он позволяет повысить производительность и может быть очень рентабельным».

- Макдауэлл

Эта работа была частично выполнена в Технологическом институте электроники и нанотехнологий Джорджии, члене Национальной координируемой инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом США.

«Мы всегда ищем батареи с более высокой плотностью энергии, которые позволили бы электромобилям преодолевать большие расстояния без подзарядки», — сказал Макдауэлл. «Мы можем использовать алюминий в качестве материала для аккумуляторов, потому что он экономически эффективен, легко перерабатывается и с ним легко работать».

При использовании в обычной литий-ионной батарее алюминий ломается и выходит из строя в течение нескольких циклов зарядки-разрядки из-за расширения и сжатия по мере того, как литий проникает в материал и выходит из него. Разработчики пришли к выводу, что алюминий не является жизнеспособным материалом для аккумуляторов, и от этой идеи практически отказались.

Теперь на сцену вышли твердотельные батареи. В то время как литий-ионные батареи содержат легковоспламеняющуюся жидкость, которая может привести к возгоранию, твердотельные батареи содержат твердый материал, который негорюч и, следовательно, вероятно, более безопасен. Твердотельные батареи также позволяют использовать новые высокоэффективные активные материалы.

Исследователи добавили к алюминию небольшое количество других материалов, чтобы создать фольгу с определенной «микроструктурой» или расположением различных материалов. Инженеры протестировали более 100 различных материалов, чтобы понять, как они будут вести себя в батареях.

Алюминиевый анод может хранить больше лития, чем обычные анодные материалы, и, следовательно, больше энергии. В конце концов, исследователи создали батареи с высокой плотностью энергии, которые потенциально могут превзойти литий-ионные батареи.

«Одним из преимуществ нашего алюминиевого анода является то, что он позволяет повысить производительность и может быть очень экономически эффективным», — сказал Макдауэлл. «При использовании фольги непосредственно в качестве компонента батареи мы фактически исключаем множество производственных этапов, которые обычно требуются для производства материала батареи».

Несколько компаний разрабатывают электрические самолеты ближнего действия, но ограничивающим фактором являются аккумуляторы. Сегодняшние батареи не содержат достаточно энергии, чтобы обеспечить питание самолетов на расстояния, превышающие 150 миль или около того. Необходимы новые химические составы аккумуляторов, и разработанные командой алюминиевые анодные батареи могут открыть дверь для более мощных аккумуляторных технологий.