Даже если мы заряжаем телефон утром, проблема быстрой разрядки знакома каждому. Новое исследование, проведенное американскими учеными, открывает возможность для разработки принципиально нового типа аккумулятора, который позволит заряжать устройство всего один раз в неделю.
Ранее фторид не считался потенциальной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, поскольку он начинал разлагаться при температуре выше 150 градусов Цельсия. Однако, благодаря исследованиям американских ученых, результаты которых опубликованы в журнале Science, это может измениться.
«По словам Роберта Граббса, сотрудника Caltech и лауреата Нобелевской премии по химии 2005 года, фторидные аккумуляторы обладают повышенной плотностью энергии, что позволяет им работать в восемь раз дольше, чем стандартные батареи.
Прорыв, сделанный учеными, окажет значительное влияние на различные аспекты жизни человечества. В частности, благодаря ему пользователи смогут реже заряжать свои смартфоны – теперь это потребуется всего раз в неделю. Кроме того, при создании космических кораблей хранение большого объема энергии в компактном устройстве позволит снизить общий вес конструкции и освободить место для других необходимых приборов.
Электрохимическая технология, предназначенная для энергоснабжения устройств, использует положительно заряженные литиевые катионы (Li2+) в качестве своего рода химического «поршня» для проведения электрического заряда через цепь. При полной зарядке запас катионов занимает анод батареи. Как только цепь закрыта, ионы перетекают в катод, создавая ток, который и делает всю важную работу.
Этот поршень способен функционировать и в обратном направлении. Отрицательные ионы, например, фторид (F-), также могут создавать напряжение, необходимое для проведения электронов через проводник. В некотором смысле, такие ионы гораздо лучше из-за меньшего количества зарядов на ион.
«Для продления времени автономной работы батареи необходимо увеличить частоту зарядов. Перемещение многозарядных металлических катионов – сложный процесс, однако аналогичный эффект можно получить, перемещая несколько однозарядных анионов, что значительно проще, – отмечает Саймон Джонс (Simon Jones), сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA.
Две батареи отличаются друг от друга, как официанты, разносящие напитки. Один официант, несущий поднос с большим количеством стаканов, может показаться эффективным решением, однако несколько официантов, каждый из которых несет один напиток, демонстрируют большую маневренность и надежнее удерживают посуду.
Однако возникает проблема температуры. Чтобы решить этот вопрос, исследователи сконцентрировались на растворителе электролита, называемом бис (2,2,2-трифторэтил) эфир (БТФЭ). Чтобы найти растворитель, который позволил бы анионам фторида смешиваться с электродами при комнатной температуре, команда ученых выработала стабильную формулу, обеспечивающую высокую проводимость и способную переносить работу при различных напряжениях.
Использование жидкости, содержащей трифторид медь-лантана, позволило ученым разработать батарею на основе анионов, способную к зарядке и разрядке без перегрева.
Ученые утверждают, что разработки в области таких аккумуляторов пока находятся на начальном этапе, но создание первой перезаряжаемой фторидной батареи, функционирующей при комнатной температуре, представляет собой значительный прогресс.