Ионно-литиевые аккумуляторы легко воспламеняются, и цена сырья растет. Есть ли альтернативы? Да: исследователи Empa и ETH Zürich обнаружили многообещающие подходы к производству аккумуляторов из отходов графита и металлолома.
Константин Кравчик работает в группе Максима Коваленко. Эта исследовательская группа базируется как в ETH Zurich, так и в лаборатории Empa для тонких пленок и фотогальваники. Амбициозная цель двух исследователей в филиале Empa состоит в том, чтобы сделать батарею из наиболее распространенных элементов земной коры, таких как магний или алюминий. Эти металлы обеспечивают высокую степень безопасности, даже если анод изготовлен из чистого металла. Это также дает возможность собирать батареи очень простым и недорогим способом и быстро расширять производство.
Чтобы такие аккумуляторы работали, жидкий электролит должен состоять из особых ионов, которые не кристаллизуются при комнатной температуре - т.е. образуют своего рода расплав. Ионы металла перемещаются между катодом и анодом в этом «холодном расплаве», заключенном в толстую оболочку из ионов хлора. В качестве альтернативы можно использовать большие, но легкие органические анионы, не содержащие металлов. Однако здесь возникает проблема: куда должны деваться эти «толстые» ионы, когда батарея заряжена? Что может быть подходящим катодным материалом? Для сравнения: в ионно-литиевых батареях катод сделан из оксида металла, который легко поглощает небольшие катионы лития во время зарядки. Однако это не работает для таких больших ионов. Кроме того, эти большие анионы имеют заряд, противоположный заряду катионов лития.
Батарея перевернута "вверх ногами"
Чтобы решить проблему, у команды Коваленко была хитрость в рукаве: исследователи перевернули принцип работы ионно-литиевой батареи с ног на голову. В обычных литий-ионных аккумуляторах анод (отрицательный полюс) сделан из графита, слои которого (в заряженном состоянии) содержат ионы лития. В батарее Коваленко, наоборот, графит используется как катод (положительный полюс). Толстые анионы осаждаются между слоями графена. В батарее Коваленко анод сделан из металла.
Кравчик сделал замечательное открытие в поисках «правильного» графита: он обнаружил, что отработанный графит, образующийся при производстве стали, называемый «киш-графит», является отличным катодным материалом. Природный графит также работает одинаково хорошо, если он поставляется в виде крупных чешуек, а не слишком мелкого помола, или в сложенных, не чешуйчатых формах. Причина: графитовые слои открыты по краям чешуек, и поэтому толстые анионы легче проникают в структуру. Однако графит тонкого помола, обычно используемый в ионно-литиевых батареях, плохо подходит для батареи Коваленко: при измельчении частиц графита слои сминаются, как скомканная бумага. Только небольшие ионы лития способны проникнуть сквозь этот смятый графит, а не толстые анионы новой батареи.
Батарея с графитовым катодом, изготовленная из стального «киш-графита» или необработанных природных графитовых хлопьев, может стать очень рентабельной. И если судить по первым экспериментам, то и надолго. За несколько месяцев лабораторная система выдержала тысячи циклов зарядки и разрядки. «Алюминиево-хлоридно-графитовый катод может прослужить десятилетиями при повседневном бытовом использовании», - объясняет Кравчик и добавляет: «Подобные демонстрации, но дальнейшее увеличение напряжения батареи без ущерба для емкости и даже более легких элементов уже в пути и предложит дальнейшее увеличение емкости». плотность энергии от текущих 60 Втч кг-1 до более 150 Втч кг-1"