Электричество даже в сильный мороз: Исследователи разработали литий-ионный аккумулятор, который без проблем работает даже при минус 70 градусах. В отличие от обычных литиевых батарей, он по-прежнему обеспечивает хорошие 70-процентные характеристики даже при таких отрицательных температурах, как показали первоначальные испытания. Это стало возможным благодаря электродам и электролиту, изготовленным из чисто органических соединений. Эти аккумуляторы могут быть особенно полезны в качестве дополнительного источника питания при сверхнизких температурах.
Они являются мобильными распределителями энергии почти во всех современных технологиях: литий-ионные батареи используются в мобильных телефонах, камерах и планшетах, а также в электромобилях и самолетах. Ежегодно производятся и транспортируются сотни миллионов мощных аккумуляторов. Однако и у популярных аккумуляторных батарей есть свои подводные камни: со временем они могут потерять емкость, а при перегреве даже есть риск взрыва.
Холод нарушает работу батареи
Литий-ионные аккумуляторы также имеют проблемы при очень низких температурах. При температуре ниже минус 20 градусов электролит начинает застывать и снижается проводимость. Холод также нарушает электрохимические реакции на электродах, которые в основном состоят из графита и переходных металлов. В результате производительность батареи резко снижается.
При минус 20 градусов емкость аккумуляторов составляет всего около 50 процентов. «При минус 40 градусах обычные литий-ионные батареи сохраняют только двенадцать процентов своей емкости при комнатной температуре», - объясняют Юнъяо Ся из Шанхайского университета и его коллеги. Такие аккумуляторы вряд ли можно использовать на Крайнем Севере или в космосе - если только их не снабдить обогреваемыми корпусами или изолировать от холода.
Ацетатный электролит и органические электроды
Но теперь Ся и его коллеги разработали литиевую батарею, которая больше не должна бояться низких минусовых температур. Для этого они используют этилацетат в качестве электролита, органическое соединение, которое обычно используется в основном в качестве растворителя. «Чистый этилацетат имеет температуру замерзания минус 83 градуса, что значительно ниже, чем у большинства электролитов, обычно используемых для литий-ионных аккумуляторов», - сообщают исследователи.
Ученые объединили этот электролит с органическими электродами. Полиимид (PNTCDA) служил анодом, а политрифениламин (PTPAn) - катодом. «В этих органических электродах накопление заряда в основном происходит на поверхностных группах или в больших пустотах твердых тел - это облегчает процесс зарядки и разрядки», - объясняют Ся и его коллеги.
70-процентная емкость даже при минус 70 градусах
Исследователи уже протестировали прототипы этой органической литий-ионной батареи в холодильной камере. Результат: Батарея сохраняет почти 100 процентов своей относительной емкости при минус 40 градусах, как сообщают исследователи. «Даже при гораздо более низких температурах, минус 70 градусов, емкость этой батареи по-прежнему составляет 70 процентов», - говорят Ся и его коллеги. «Это отличная производительность по сравнению с традиционными литий-ионными батареями».
Помимо морозостойкости, органические литиевые батареи имеют и другие преимущества: «По сравнению с обычными электродными материалами из переходных металлов, органические компоненты недороги, экологически безопасны в производстве и легко доступны», - говорится в сообщении. Ся. По его оценке, органические электроды будут стоить примерно в три раза меньше, чем электроды в обычных литий-ионных батареях.
Меньшая плотность энергии
Однако есть одна загвоздка: до сих пор органические батареи имели меньшую плотность энергии, чем обычные литиевые батареи - она примерно такая же, как у свинцовых батарей. Поэтому их производительность недостаточна для удовлетворения высоких требований в течение длительного периода времени. По мнению исследователей, морозоустойчивые аккумуляторы хорошо бы подошли, например, для снабжения необходимой электроэнергией при холодном пуске устройств и машин.
В экстремально холодных условиях органические батареи могут, таким образом, перекрывать фазу ожидания, в которой обычные батареи достаточно нагреваются. «Поэтому новые аккумуляторы особенно подходят для современных высокопроизводительных процессов старт-стоп», - говорит Ся. «Поэтому он предлагает многообещающий потенциал для специального применения в очень холодных условиях».