Революційна батарея з Китаю працює довше і "лікується" сама: як це змінить техніку

Вчені з Китаю створили новий електрод, який дасть змогу літій-іонним акумуляторам працювати довше і відновлювати пошкодження, спричинені нагріванням.

Вихід батарей з ладу через деякий час роботи вже давно турбує користувачів. Нове дослідження, здатне усунути цю проблему, опубліковано в журналі Nature.

Нові матеріали для літієвих акумуляторів стискаються під час нагрівання і відновлюються завдяки інтелектуальному заряджанню, що забезпечує більш тривалий термін служби і більшу безпеку. Технологія заснована на киснево-окисно-відновлювально-відновлювальній (OR) хімії, вона повинна змусити батареї працювати довше і заряджатися ефективніше, використовуючи хаотичну поведінку молекул у матеріалах для поліпшення продуктивності.

Коли матеріали нагріваються, вони зазвичай розширюються. Це розширення відбувається, тому що атоми більше рухаються в міру підвищення температури, змушуючи структуру розбухати. Вчені використовують правило Грюнайзена, яке визначає, наскільки розширюється тверде тіло залежно від вібрації його атомів. Але деякі матеріали не дотримуються цього правила.

У багатих літієм шаруватих оксидах, що використовуються в багатьох літій-іонних батареях, вчені виявили щось рідкісне: негативне теплове розширення (NTE). Замість того щоб розширюватися під час нагрівання, ці матеріали стискаються в діапазоні від 150°C до 250°C. Це не відповідає типовій термічній поведінці твердих тіл.

Команда з Інституту матеріалознавства та інженерії Нінбо (NIMTE) на чолі з Лю Чжаопіном побачила в безладній поведінці матеріалів новий спосіб поліпшення роботи акумуляторів. Вчені розробили новий тип катода, який стійкий до зміни розміру під час нагрівання. Вони знайшли матеріал з нульовим тепловим розширенням (ZTE) стабільним навіть за більш високих температур. Це має велике значення для акумуляторів, де перепади температур можуть призвести до поломок, скорочення терміну служби і навіть ризиків безпеки.

Багаті літієм матеріали вже пропонують високу ємність зберігання енергії — понад 300 міліампер-годин на грам (мАг/г), що набагато більше, ніж у стандартних матеріалів. Але досі у них була серйозна слабкість: падіння напруги. У міру старіння батареї напруга падала, що знижувало її здатність живити пристрої.

Дослідження показало, що структурний безлад у матеріалах можна повернути назад за допомогою електрохімічного контролю. Якщо подавати певні імпульси напруги, близько 4 В, то структура відновлюється і початкова напруга відновлюються майже на 100%.

На практиці це означає, що батареї можуть одного разу відновлюватися під час звичайного заряджання. Розумні системи зарядки можуть посилати короткі імпульси напруги, щоб перебудувати атоми матеріалу назад у порядок. Немає необхідності замінювати батареї, що старіють, — достатньо просто "лікувати" їх за допомогою зарядного пристрою.

Таке лікування на місці може подвоїти термін служби літій-іонних акумуляторів. Для користувачів це означає, що телефони, ноутбуки і навіть електромобілі працюватимуть набагато довше без необхідності в нових батареях. Для довкілля це означає менше викинутих батарей і меншу потребу у видобутку сировини.