Спецпроекты

Россияне научили аккумуляторы заряжаться за секунды

Техника

Российские ученые создали особый полимерный материал для катодов аккумуляторов, позволяющий сократить время их зарядки до нескольких секунд и одновременно повысить их плотность вместе с временем службы. АКБ с новыми катодами смогут проработать до 70 лет и при этом сохранить около трети своей емкости.

Аккумуляторы станут лучше

Российские специалисты из «Сколтеха», Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ) и Института проблем химической физики (ИПХФ) разработали новые материалы на основе полимеров для использования их в качестве катода в современных аккумуляторах. Как сообщили CNews представители РХТУ, исследователи протестировали их в составе особых литиевых двухионных батарей и на выходе получили сверхбыстрые АКБ, заряжающиеся за несколько секунд.

Использование новых катодных материалов не только привело к сокращению времени, уходящего на подзарядку аккумулятора, но и позволило значительно продлить срок его службы. Такие АКБ способны выдерживать до 25 тыс. циклов перезарядки.

По заявлениям авторов новой технологии, с использованием катодов на ее основе могут быть созданы еще и калиевые двухионные аккумуляторы, в которых дорогостоящий и очень неэкологичный (даже на этапе производства) литий заменен на более доступный и менее редкоземельный и токсичный калий.

Два полимера и новый тип аккумулятора

Специалисты РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха» синтезировали сразу два новых разветвленных полимера – сополимер дигидрофеназина и дифениламина и сополимер дигидрофеназина и фенотиазина. Тесты показали, что первый полимер намного лучше справляется с поставленной задачей – именно он позволил добиться полной зарядки АКБ за несколько секунд. Кроме того, при его использовании батарея способна пережить до 25 тыс. циклов перезарядки и сохранить при этом до трети своей емкости. Специалисты подсчитали, что при обычных условиях эксплуатации такой аккумулятор мог бы служить до 70 лет.

batter600.jpg
Новая российская технология протестирована, но пока не готова к коммерциализации

В качестве анода ученые использовали металлический литий, но они также провели эксперимент и с калием. Батареи с анодом из этого материала и сополимером дигидрофеназина и фенотиазина в виде катода продемонстрировали повышенную плотность энергии – вплоть до 398 Втч/кг. Литиевые аккумуляторы с таким же катодом демонстрировали в 1,5-2 раза меньшую плотность – от 200 до 250 Втч/кг.

Материалы катодов, которые разработали исследователи, созданы на основе полимерных ароматических аминов. К их особенностям относится, помимо прочего, еще и возможность синтезировать их из различных органических соединений. Что касается двухионных АКБ, то в электрохимических процессах внутри них, в отличие от обычных литий-ионных батарей, задействованы как анионы, так и катионы электролита. Это напрямую влияет на многократный прирост скорости подзарядки.

«У нашей группы уже были работы по полимерным катодам для сверхбыстрых аккумуляторов с хорошей емкостью, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд. Среди прочих, раньше мы использовали линейные полимеры, у которых каждое мономерное звено образует связи только с двумя соседями, а в этой работе мы продолжили изучение новых разветвленных полимеров, у которых каждое звено может образовывать связи как минимум с тремя другими звеньями. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов», – отметил первый автор работы, аспирант «Сколтеха», Филипп Обрезков. «С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться», – добавил он.

Конкурирующие разработки

Авторы изобретения не уточнили, когда, по их прогнозам, может начаться массовое производство аккумуляторов, в которых используются созданные ими полимерные катоды. Между тем, в России существует целый ряд перспективных технологий, позволяющих улучшить современные элементы питания и способных составить конкуренцию детищу сотрудников РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха».

Инвестиции в столичный финтех резко выросли после многолетнего спада
Инновации и стартапы

Например, если эти ученые предлагают заменить литий на калий, то группа специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и немецкого Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе считают, вместо лития следует использовать другой щелочной металл – натрий. CNews писал, что натрий в данном случае позволит снизить нагрузку на окружающую среду, поскольку добывать его проще, чем литий – он есть даже в обычной поваренной соли. Отсюда вытекает и снижение затрат на его добычу, а его применение в АКБ позволит сделать элементы питания более стабильными – литиевые аккумуляторы известны своей взрывоопасностью.

У специалистов «МИСиС» есть и еще одна альтернатива литиевым батареям, в которой нет ни натрия, ни калия – только сорняковое растение, в изобилии растущее во многих регионах России. Они предлагают делать не аккумуляторы, а суперконденсаторы с электродом из стеблей борщевика – для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды ученые разработали особую технологию их обработки, включающую воздействие на них соляной кислоты и насыщение углекислым газом.

Созданная технология преобразования борщевика в электроды суперконденсаторов была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом. Но, как и в случае с полимерными катодами и калиевыми АКБ за авторством ученых из РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха», сроки коммерциализации этой идеи авторы не уточняют.