Ученые МФТИ разработали электролит для повышения мощности всепогодных батарей

Новости МирТесен

Российские исследователи добились повышения энергоемкости литий-фторуглеродных батарей, которые считаются самыми мощными в мире. Такие аккумуляторы востребованы в устройствах, предназначенных для длительной автономной работы в разнообразных условиях, например, в кардио- и нейростимуляторах в, беспилотных летательных аппаратов, межпланетных аппаратов, спутников, навигационных модулей и автономных датчиков в удаленных регионах.

Какой должна быть идеальная батарейка? Она должна быть компактной, легкой, мощной, стабильной и, прежде всего, обладать высокой энергоемкостью. Если рассматривать одноразовые, то есть неперезаряжаемые, химические источники питания, то литий-фторуглеродные элементы являются лидерами по всем ключевым характеристикам. Одна такая батарейка содержит в несколько раз больше энергии, чем наиболее эффективные одноразовые батареи других типов, например, литий-тионилхлоридные, и по удельной энергии превосходит даже многоразовые литий-ионные аккумуляторы.

Благодаря минимальной деградации используемых материалов, эти батарейки отличаются высокой стабильностью: при хранении в течение десяти лет они практически не теряют свой заряд. Они также надежно функционируют в условиях высоких и низких температур, а также в вакууме, и не нуждаются в частой замене. Всё это делает их важным компонентом для современных, малогабаритных и легких приборов.

Существуют и сложности. В процессе эксплуатации на катоде аккумулятора формируется плотный слой нежелательных соединений. Это препятствует свободному перемещению ионов лития, что приводит к ускоренной потере заряда. Для уменьшения влияния данного фактора специалисты из Института электродвижения МФТИ создали уникальную формулу электролита, включающую сульфоксид.

В отличие от обычных компонентов электролита, молекулы добавки взаимодействуют с поверхностью катода. Это приводит к формированию на катоде тонкого слоя продуктов, который предохраняет катодный материал от разрушения и обеспечивает миграцию ионов лития.

«Представьте, что катодный материал, как стекло смартфона, – прочный, проводящий, но дополнительная защита от повреждений сделает его только лучше. Наша добавка в электролит, как защитная наклейка на стекло смартфона , – предотвращает деградацию, но позволяет сохранять свои функции. В итоге КПД батареи повышается», — объяснила Софья Морозова, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ.

В ходе проведенных исследований батарея с измененным электролитом продемонстрировала более высокую удельную емкость, составившую 875 мА·ч/г, что на 3,4% превышает показатель элемента, использующего стандартный электролит (846 мА·ч/г).

«Повышенное энерговыделение свидетельствует о том, что мы освоили тонкую настройку взаимодействия электрода и электролита, и постепенно, но верно, сближаемся с теоретическими возможностями батареи», — добавила Софья Морозова.

В настоящее время исследователи получили опытные образцы и подтвердили их работоспособность в лабораторных условиях. Дальнейшие действия включают в себя совершенствование составов с учетом различных температурных диапазонов (от -60°C до +60°C), повышение эффективности и интеграцию разработки в действующие устройства, например, в беспилотные летательные аппараты.

Эти источники питания станут отличным решением для приборов, требующих стабильного энергоснабжения, таких как кардио- и нейростимуляторы, предназначенные для длительного использования, микроспутники с гарантированным сроком эксплуатации на орбите, навигационные модули специальной техники, которые должны быть работоспособны после длительного хранения, а также автономные датчики, устанавливаемые в Арктике и способные функционировать годами без необходимости обслуживания.

Информация предоставлена пресс-службой МФТИ