Как в электромобилях с быстрой зарядкой, так и в портативных устройствах исследование аккумуляторов является постоянно развивающейся точкой интереса для разработчиков электроники. Хотя литиевые и свинцовые батареи доминируют на рынке в течение длительного времени, эти материалы склонны к выгоранию и проблемам с поставками.
В качестве потенциального материала для использования в производстве батарей появился новый продукт, и это не кремний – это алюминий.
Литий, который в той или иной форме содержится в большинстве батарей, разлагается из твердых пород и отложений соляного раствора и может быть получен путем смешивания нескольких химикатов и минералов. Однако полезность лития оказывается недостаточной, когда ему не хватает дополнительных материалов, таких как кобальт и фосфор, которые сталкиваются с проблемами поиска и производства. Между тем, алюминий – один из самых распространенных металлических материалов на Земле. В последние годы исследования показывают, что батареи на основе алюминия будут экономичными, легкими и доступными по сравнению с их литиевыми аналогами.
Проблема в том, что алюминий сложно встроить в электроды батареи. Несколько исследовательских групп по всему миру искали способы интегрировать алюминий в стандартные методы обработки батарей. На основе этих исследований алюминий показал многообещающие выводы, которые включают в себя хранение энергии и надежную подзарядку; например, алюминий имеет в четыре раза большую объемную емкость, чем литиевый аналог.
Недавно исследователи из Корнельского университета изучили различные недорогие материалы, чтобы создать перезаряжаемую батарею, основанную на материалах с ионами алюминия. Внутри самой батареи исследователи обнаружили сепаратор из стекловолокна, который разделял анодную и катодную части батареи. Стекловолокно столкнулось с частицами алюминия и в результате произошло короткое замыкание, что привело к выходу из строя батареи.
Исследователи решили эту задачу, сконструировав основу из переплетенных углеродных волокон, чтобы сформировать более прочную химическую связь с алюминиевым материалом. Когда аккумулятор заряжался, алюминий осаждался в углеродной структуре и удерживался вместе в многослойной подложке, избегая контакта с сепаратором из стекловолокна. Это исследование, проведенное Корнеллом, предполагает, что батареи с алюминиевым анодом могут быть обратимо заряжены и разряжены на несколько порядков. В ходе своего исследования исследователи обнаружили, что алюминиевые батареи с цинковым анодом обеспечивают длительный срок службы.
На другом конце света Китайский Далянский технологический университет (DUT) недавно объединился с Университетом Небраски (UNL) для разработки надежного портативного решения на основе алюминия с быстрой зарядкой. Команда объединенных исследователей обнаружила, что для того, чтобы аккумулятор мог быстро заряжаться, компоненту потребуется большая подача тока. Однако введение большего тока приведет к большему падению общего сопротивления. Исследователи DUT и UNL добавили трехмерную сеть из графена (действующую аналогично углеродным волокнам Корнелла), предотвращая соединение алюминия с сепаратором. Графен помог увеличить зарядную емкость аккумулятора. Но как только графеновый материал захватил анионы, которые накапливались в ячейке, у него возникли трудности с их высвобождением.
Это означало, что, хотя графен и алюминий являются хорошим началом для демонстрации накопления энергии, они могут быть неэффективными для рассеивания заряда на устройстве. Чтобы решить эту проблему, разработчикам потребуется добавить дополнительное количество алюминия, чтобы сбалансировать графен и позволить энергии легче рассеиваться. В исследовании утверждается, что алюминиево-ионный аккумулятор может заряжать устройство за 0,35 секунды.
Как предполагают исследователи Cornell и DUT-UNL, ключом к созданию батарей на основе алюминия может быть переплетенный трехмерный материал, соединенный с алюминием. Это, в свою очередь, может создать аккумуляторную батарею, которая предлагает большой запас энергии и быстрое рассеивание энергии. Некоторые компании уже выпустили на рынок батареи на основе алюминия. Например, израильский стартап Phinergy и Индийская нефтяная корпорация объединились, чтобы создать что-то под названием «Алюминиево-воздушная» (Al-Air) батарея для электромобилей. Эта технология работает, когда батарея Al-Air втягивает кислород из окружающей среды, который вступает в реакцию с водой и алюминием, создавая электричество. Аккумулятор можно перезарядить новыми анодами и электролитами, когда алюминий полностью разрушится.
Хотя аккумуляторы на основе алюминия еще далеки от массового коммерческого использования, вполне возможно, что при постоянных исследованиях этот материал может однажды стать альтернативой стандартным литий-ионным растворам.
© digitrode.ru