Алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой

Алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой

Ученые из Стэнфордского университета изобрели первый высокопроизводительный алюминиевый аккумулятор, который быстро заряжается, долговечен и недорог. Исследователи говорят, что новая технология является безопасной альтернативой многих массово-производимых батарей сегодня.

«Мы разработали алюминиевый аккумулятор, который может заменить существующие устройства хранения энергии, такие как щелочные батареи, которые вредны для окружающей среды, а также литий-ионные батареи, которые иногда возгораются», — сказал Хонгжие Дай, профессор химии в Стэнфордском университете. «Наша новая батарея не загорится, даже если вы просверлите её насквозь.»

Профессор Дай и его коллеги описывают новые аккумуляторы в журнале Nature как: «сверх-быстро-перезаряжаемые алюминиево-ионные аккумуляторы».

Алюминий уже давно стал привлекательным материалом для батарей, в основном из-за его низкой стоимости, низкой горючести и высокой емкости заряда. В течение многих десятилетий исследователи безуспешно пытались разработать коммерчески жизнеспособную алюминий-ионную батарею. Основной задачей было найти материалы, способные производить достаточное напряжение после нескольких циклов заряда-разряда.

Графитовый катод

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов: отрицательно заряженный анод из алюминия и положительно заряженный катод.

«Люди пробовали различные виды материалов для катода,» сказал Дай. «Мы случайно обнаружили, что простое решение заключается в использовании графита, который состоит в основном из углерода. В нашем исследовании мы определили несколько типов графитового материала, которые дают нам очень хорошую производительность.»

В экспериментальных батареях, команда Стэнфордского университета помещала в алюминиевый анод и графитовый катод в ионный жидкий электролит, в гибкий полимерный пакет с покрытием.

Исследователи Стэндфордского университета за работой над алюминиево-ионным аккуумлятором

«Электролит в основном состоит из растворов солей, а это жидкость при комнатной температуре, поэтому это очень безопасно,» — сказал аспирант Стэнфорда Мин Гун. «Алюминиевые батареи безопаснее, чем обычные литий-ионные батареи, используемые в миллионах портативных компьютеров и мобильных телефонов на сегодняшний день, добавил профессор Дай. «Литий-ионные батареи могут стать причиной возникновения пожара», сказал он. В качестве примера он указал на недавнее решение авиакомпании Юнайтед энд Дельта, запрещающее перевозить литиевые батареи на пассажирских самолетах.

«В нашем исследовании на видео мы показываем, что вы можете просверлить аккумуляторную оболочку, но они будут продолжать работу некоторое время и не загорятся», — сказал Дай.

Одним из достоинств аккумуляторов является их является ультра-быстрая зарядка. Владельцы смартфонов знают, что это может занять несколько часов, при зарядке литий-ионных аккумуляторов. Разработчики новых аккумуляторов заявили «беспрецедентную скорость», до одной минуты у прототипа аккумулятора.

Долговечность является еще одним важным фактором. Алюминиевые батареи, разработанные в других лабораториях обычно теряют емкость уже всего после 100 циклов заряда-разряда. Батарея Стэнфордского университета в состоянии выдержать более 7500 циклов без какой-либо потери мощности. «Это первая модель алюминиево-ионных батарей, с ультра-быстрой зарядкой, со стабильностью в тысячи циклов», — пишут авторы. Для сравнения: типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает около 1000 циклов.

«Другой особенностью алюминиевой батареи является гибкость,» — сказал Гонг. «Вы можете согнуть его и сложить, поэтому у аккумулятора есть потенциал для применения в гибких электронных устройствах. Алюминий также более дешевый металл, чем литий.»

Применение

В дополнение к использованию в портативных электронных устройствах, алюминиевые батареи могут быть использованы для хранения возобновляемой энергии в электросетях.

«Сетям нужна батарея с длительным жизненным циклом, которые могут быстро накапливать и выделять энергию», — объяснил Дай. «Наши последние неопубликованные данные свидетельствуют о том, что алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз. Трудно представить себе строительство огромного литий-ионного хранилища для сетевого резервирования.»

«Алюминий-ионная технология также предлагает экологически чистую альтернативу одноразовым щелочным батареям», — сказал Дай. «Миллионы потребителей используют элементы типа АА и ААА напряжением 1,5 вольт. Наш аккумулятор генерирует около двух вольт электричества. Это выше, чем кто-либо добился с алюминием, но дальнейшее улучшение аккумулятора позволит достичь напряжения литий-ионных батарей » — добавил он.

Читать еще:  Размеры умывальника: ширина, высота, глубина

«Пока плотность хранения алюминиево-ионных аккумуляторов составляет около 40 Вт*час/кг, в то время как у литий-ионных 100-206 Вт*час/кг. Но улучшение катодного материала, в конечном итоге, может увеличить напряжение и плотность энергии. В противном случае, наша батарея уже имеет все, что вы хотели иметь в батарее: недорогие электроды, хорошую безопасность, высокоскоростная зарядка, гибкость и длительный срок службы » — сообщил профессор Хонгжие Дай.

Алюминий ионный аккумулятор

Одна из перспектив развития накопителей электрической энергии- создание алюминий ионного аккумулятора.

Уже почти тридцать лет ученые ищут пути совершенствования алюминий-ионного аккумулятора. С приходом на службу человечеству нанотехнологий, ученым США удалось приблизиться еще на один шаг к решению этой задачи. Первый аккумулятор с алюминиевым анодом, способный быстро заряжается, при этом недорогой и долговечный, разработали ученые из Стэнфордского университета.

Исследователи уверенно заявляют, что их детище вполне может стать безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, всюду применяющимся сегодня, а также щелочным батарейкам, которые экологически вредны.

Не лишним будет вспомнить, что литий-ионные аккумуляторы порой возгораются. Профессор химии Хонгжи Дай уверен, что его новая батарея не загорится, даже если просверлить её насквозь. Коллеги профессора Дайя охарактеризовали новые аккумуляторы как «сверхбыстро перезаряжаемые алюминий-ионные аккумуляторы».

В силу низкой стоимости, пожаробезопасности, и способности создавать значительную электроемкость, алюминий уже давно привлек внимание исследователей, однако многие годы ушли на создание коммерчески жизнеспособной алюминий-ионной батареи, которая могла бы производить достаточное напряжение даже после многих циклов заряда-разряда.

Ученым нужно было преодолеть многие препятствия, в числе которых: распад материала катода, низкое напряжение разряда ячейки (около 0,55 вольт), потеря емкости и недостаточный жизненный цикл (менее 100 циклов), быстрая потеря мощности (от 26 до 85 процентов спустя 100 циклов).

Теперь же ученые представили аккумуляторную батарею на основе алюминия с высокой стабильностью, в который они использовали металлический анод из алюминия в паре с катодом из трехмерной графитовой пены. До этого было перепробовано много разных материалов для катода, и решение в пользу графита было найдено совершенно случайно. Ученые из группы Хонгжи Дайя определили несколько типов графитового материала, которые показывают весьма высокую производительность.

В своих экспериментальных образцах, команда Стэнфордского университета поместила алюминиевый анод, графитовый катод, и безопасный жидкий ионный электролит, состоящий в основном из растворов солей, в гибкий полимерный пакет.

Профессор Дай и его группа записали видео, где показали, что даже если просверлить оболочку, их аккумуляторы все равно будут продолжать работать некоторое время и не загорятся.

Важным достоинством новых аккумуляторов является их ультрабыстрая зарядка. Обычно литий-ионные аккумуляторы смартфонов подзаряжаются в течение нескольких часов, в то время, как прототип новой технологии демонстрирует беспрецедентную скорость зарядки до одной минуты.

Долговечность новых батарей особенно поражает. Ресурс батареи составляет более 7500 циклов заряда-разряда, причем без потери мощности. Авторы сообщают, что это первая модель алюминий-ионных батарей, с ультрабыстрой зарядкой, и стабильностью в тысячи циклов. А типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает лишь 1000 циклов.

Примечательной особенностью алюминиевой батареи является ее гибкость. Аккумулятор можно сгибать, что говорит о потенциальной возможности его применения в гибких гаджетах. Кроме всего прочего, алюминий значительно дешевле лития.

Перспективным видится использование таких батарей для хранения возобновляемой энергии с целью ее резервирования для последующего обеспечения электрических сетей, поскольку по последним данным ученых, алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз.

Читать еще:  Схема отопления дома

Вопреки массово используемым элементам АА и ААА напряжением 1,5 вольт, алюминий-ионный аккумулятор генерирует напряжение порядка 2 вольт. Это наивысший из показателей, которых кто-либо добился с алюминием, причем в перспективе этот показатель будет улучшен, заявляют разработчики новых аккумуляторов.

Достигнута плотность хранения энергии 40 Вт-час на килограмм, а улитий-ионных батарей этот показатель достигает 206 Вт-час на килограмм. Однако улучшение катодного материала, уверен профессор Хонгжи Дай, в конце концов приведет как к увеличению напряжения, так и к повышению плотности хранения энергии в аккумуляторах алюминий-ионной технологии. В любом случае, ряд преимуществ перед литий-ионной технологией уже достигнут. Здесь и дешевизна, сочетающаяся с безопасностью, и высокоскоростная зарядка, и гибкость, и длительный срок службы.

Алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой

Ученые Стэндфордского университета совсем недавно изобрели современный высокопроизводительный алюминиевый аккумулятор, который способен заряжаться за короткий промежуток времени. Плюс ко всему, он обладает повышенной долговечностью и стоит недорого. Как говорят исследователи, именно за такой технологией будущие, ведь именно она является отличной альтернативой. В этой статье мы расскажем вам, что такое алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой и почему за ними будущие.

Что собой представляют алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой

Профессор химии Стэндфордского университета Хонгжие Дай сказал – «Нам удалось изобрести алюминиевый аккумулятор, который даст нам возможность заменить существующие устройства хранения электрической энергии. К ним можно отнести: щелочные батареи (вредные для окружающей среды) и литий-ионные батареи (иногда взрываются). Все эти устройства требуют доработок, а мы создали лучшее устройство, которое никогда не загорится, даже если вы сделаете несколько десятков сквозных отверстий». Также узнайте, что собой представляет солнечная батарея Power Bank и почему производители так нагло врут нам.

Первые упоминания про такие аккумуляторы были напечатаны в газете Nature, там они позиционируются как быстро зарядные ионные аккумуляторы.

Как говорят эксперты и научные деятели, алюминий уже давно стал привлекательным материалом для изучения. Он имеет довольно маленькую стоимость, при низкой горючести и высокой емкости своего заряда. Однако возникали сложности на том этапе, когда необходимо было придумать, как его использовать в работе аккумуляторов. Именно это и удалось научным деятелям Стэндфордского университета.

Из чего состоят алюминий-ионные батареи

Алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой состоят из двух электродов:

  1. Отрицательно заряженного анода из алюминия.
  2. Положительно заряженного катода.

Во время исследований были испробованы множество материалов, и как оказалось, самое простое и правильное решение заключается в использовании графита, состоящего из углерода. Было установлено, что именно такой тип графитового материала способен показать лучшую производительность.

Применение батарей со сверхбыстрой зарядкой

Батареи такого типа могут быть использованы для хранения большого количества энергии в электросетях.

«Электросетям необходима батарея, которая способна долго работать, быстро накапливать и выделить энергию», – именно это и удалось показать нам, объяснил Дай. «Как показывают последние исследования алюминиевую батарею можно заряжать несколько тысяч раз без потери производительности». Также читайте: Модульная солнечная электростанция Panasonic: преимущества и недостатки.

Такая технология позволит в полной мере заменить обычные элементы АА и ААА, которые имеют напряжение в 1.5 Вольт. Батареи из алюминия способны выдавать 2 Вольта, но есть и определенные недостатки. К примеру, плотность хранения алюминево-ионных аккумуляторов 40 Вт*час/кг, литий-ионные показывают плотность в 100-206 Вт*час/ кг.

Но, такие результаты временные, в скором времени все должно существенно измениться. Разработки не останавливаются, есть положительные сдвиги, но у них пока никто не говорит, все скрывается. Первые серьезные результаты, которые получит общественность, будут опубликованы в 2019-2019 году, а пока посмотрите вот такое видео про работу сверхбыстрых батареек.

Читать еще:  Схема электропроводки

IBM создала емкий, безопасный и дешевый аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой

Аккумуляторы без тяжелых металлов

Специалисты IBM Research разработали аккумулятор из новых материалов, который по ряду характеристик значительно превосходит широко распространенные сегодня литий-ионные батареи. Об этом говорится в сообщении, размещенном в блоге исследовательского подразделения компании (IBM Research) на ее официальном сайте.

В сегодняшних аккумуляторах, которые используются в ряде устройств: от фитнес-браслетов и смартфонов до электромобилей, часто применяются тяжелые металлы, в частности кобальт и никель. Например, в литий-ионных аккумуляторах катод (отрицательный электрод) может выполняться из кобальтата лития или никелата лития. Сами по себе эти металлы могут представлять угрозу как здоровью человека, так и окружающей среде. Кроме того, их запасы ограничены, а при добыче кобальта, по данным Financial Times, используются детский труд.

Новая технология IBM предполагает создание аккумулятора на базе трех новых материалов, среди которых тяжелых металлов нет. Химический состав материалов, из которых выполнены анод, катод и жидкий электролит, исследователи не раскрывают, однако уверяют, что необходимые материалы могут быть получены из обыкновенной морской воды и то, что они значительно дешевле используемых в современных литий-ионных батареях.

Преимущества новой технологии

По словам специалистов IBM Research их разработка превосходит литий-ионную технологию по многим важным параметров. Так, если верить ученым, их аккумулятор сможет заряжаться до уровня 80% за пять минут, при этом вероятность воспламенения такого устройства значительно ниже по сравнению с литий-ионными аналогами. У последних меньшая температура возгорания.

Энергетическая плотность новинки сопоставима с передовыми образцами литий-ионных аккумуляторов (более 800 Вт*ч/л), а ее энергоэффективность превышает 90%.

Кроме того, исследователи утверждают, что проведенные ими тесты показали возможность применения этой технологии при изготовлении аккумуляторов с весьма продолжительным сроком службы, однако не приводят каких-либо конкретных данных на этот счет.

Сферы применения аккумуляторов IBM

Исследователи полагают, что продукция на основе разработанной ими технологии может найти применение в энергетике, автомобиле- и авиастроении.

Несмотря на то, что исследования находятся на ранней стадии, IBM Research заключила контракты на совместную разработку нового поколения аккумуляторов и инфраструктуры для их совершенствования и производства с Mercedes-Benz Research, Central Glass (производитель электролитов) и Sidus (производитель аккумуляторных батарей).

Не без помощи искусственного интеллекта

IBM Research также сообщает, что в своей работе команда использует технологию искусственного интеллекта (ИИ), называемую семантическим обогащением. Она применяется для дальнейшего улучшения характеристик батареи путем выявления наиболее подходящих и безопасных материалов.

Альтернативные разработки

Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые аккумуляторы и положить конец их далеко не самым экологичным и этичным производству и утилизации.

В декабре 2018 г. CNews писал о том, что ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.

Еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.

В ноябре 2018 г. стало известно, что в Китае стартовало производство аккумуляторов с твердым электролитом, которые в обозримом будущем могут стать частью мобильной техники и транспортных средств. Предполагалось, что они придут на смену литий-ионным батареям за счет большей компактности и безопасности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector