Аванс, подробно описанный в новой статье, опубликованной 25 августа в журнале Природа, может ускорить использование аккумуляторных батарей и приблизить исследователей аккумуляторов на один шаг к достижению двух основных заявленных целей в своей области: создание высокопроизводительной аккумуляторной батареи, которая позволит заряжать мобильные телефоны только раз в неделю, а не ежедневно, и электромобили, которые может путешествовать в шесть раз дальше без подзарядки.

Светодиодный светильник, работающий от прототипа перезаряжаемой батареи, использующего натрий-хлорную химию, недавно разработанную исследователями из Стэнфордского университета. Предоставлено: Гуаньчжоу Чжу.

Новые так называемые щелочно-хлорные батареи, разработанные группой исследователей во главе с профессором химии Стэнфордского университета Хунцзе Даем и докторантом Гуаньчжоу Чжу, основаны на возвратно-поступательном химическом преобразовании хлорида натрия (Na / Cl₂) или хлорид лития (Li / Cl₂) до хлора.

Когда электроны перемещаются от одной стороны перезаряжаемой батареи к другой, перезарядка возвращает химический состав обратно в исходное состояние, ожидая следующего использования. Неперезаряжаемым батареям не повезло. После истощения их химический состав не может быть восстановлен.

«Аккумуляторная батарея немного похожа на кресло-качалку. Он наклоняется в одном направлении, но затем возвращается обратно, когда вы добавляете электричество », - объяснил Дай. «У нас есть кресло-качалка с высокой качалкой».

Случайное открытие

Причина, по которой никто еще не создал высокопроизводительные перезаряжаемые натрий-хлорные или литий-хлорные батареи, заключается в том, что хлор слишком реактивен и его сложно преобразовать обратно в хлорид с высокой эффективностью. В тех немногих случаях, когда другим удавалось достичь определенной степени перезаряжаемости, производительность батареи оказалась низкой.

Фактически, Дай и Чжу вообще не намеревались создать перезаряжаемые натриевые и литий-хлорные батареи, а просто усовершенствовали существующие технологии батарей с использованием тионилхлорида. Это химическое вещество является одним из основных ингредиентов литий-тионилхлоридных батарей, которые являются популярным типом одноразовых батарей, впервые изобретенных в 1970-х годах.

Но в одном из своих ранних экспериментов с хлором и хлоридом натрия исследователи из Стэнфорда заметили, что преобразование одного химического вещества в другое каким-то образом стабилизировалось, что привело к некоторой перезарядке. «Я не думал, что это возможно», - сказал Дай. «Нам потребовалось около года, чтобы по-настоящему понять, что происходит».

В течение следующих нескольких лет команда выяснила обратимый химический состав и искала способы сделать его более эффективным, экспериментируя с множеством различных материалов для положительного электрода батареи. Большой прорыв произошел, когда они сформировали электрод из усовершенствованного пористого углеродного материала от соавторов профессора Юань-Яо Ли и его ученика Хун-Чун Тай из Национального университета Чунг-Ченг Тайваня. Углеродный материал имеет структуру наносферы, заполненную множеством сверхмалых пор. На практике эти полые сферы действуют как губка, впитывая большое количество молекул хлора, которые в противном случае были бы чувствительны, и сохраняли их для последующего превращения в соль внутри микропор.

«Когда батарея заряжена, молекула хлора улавливается и защищается в крошечных порах углеродных наносфер», - пояснил Чжу. «Затем, когда аккумулятор необходимо разрядить или разрядить, мы можем разрядить аккумулятор и преобразовать хлор в NaCl - поваренную соль - и повторить этот процесс в течение многих циклов. В настоящее время мы можем выполнять цикл до 200 раз, и есть возможности для улучшения ».

Результатом стал шаг к латунному кольцу конструкции батареи - высокая плотность энергии. Исследователи достигли 1200 миллиампер-часов на грамм материала положительного электрода, в то время как емкость коммерческих литий-ионных аккумуляторов сегодня составляет до 200 миллиампер-часов на грамм. «Наша емкость как минимум в шесть раз выше», - сказал Чжу.

Исследователи предполагают, что их батареи однажды будут использоваться в ситуациях, когда частая подзарядка нецелесообразна или нежелательна, например, в спутниках или удаленных датчиках. Многие спутники, которые можно было бы использовать в других случаях, сейчас находятся на орбите, устаревшие из-за разряженных батарей. Будущие спутники, оснащенные долговечными перезаряжаемыми батареями, могут быть оснащены солнечными зарядными устройствами, что многократно расширит их полезность.

Однако на данный момент разработанный ими рабочий прототип может быть пригоден для использования в небольшой повседневной электронике, такой как слуховые аппараты или пульты дистанционного управления. Что касается бытовой электроники или электромобилей, то остается еще много работы по проектированию конструкции батареи, увеличению плотности энергии, увеличению размера батарей и увеличению количества циклов.