Ультразвук продлил жизнь литиевым "аккумуляторам будущего"

Физики выяснили, что перспективные, но недолговечные литий-воздушные аккумуляторы можно сделать более живучими, если встроить в них генератор ультразвука. Он не будет давать образовываться порам и дефектам в их электродах. Исследование опубликовал научный журнал Advanced Materials.

"Наша работа позволяет создавать очень мощные аккумуляторы, которые при этом можно быстро заряжать. Мы планируем встроить эту технологию в уже существующие коммерческие модели аккумуляторов", – рассказал о работе один из ее авторов, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) Пин Лю.

Современные аккумуляторы состоят из трех частей – катода, анода и электролита. Первый играет роль положительного полюса и источника энергии, второй – отрицательного полюса и "изымателя" тока, а электролит позволяет носителям заряда путешествовать между катодом и анодом. Мощность батареи напрямую зависит от состава катода, а их долговечность – от того, как сильно разрушается материал электролита и анода при циклах разряда-заряда.

В результате подобных процессов возникают две проблемы. Внутри классических литий-ионных аккумуляторов чаще возникают короткие замыкания, которые не позволяют им заряжаться и разряжаться очень быстро, а также не дают создавать более энергоемкие перезаряжаемые батареи на базе чистого лития.

Текущие версии подобных "батареек будущего" в пять раз более высокой энергоемки, чем их предшественники, при этом они не уступают в этом отношению даже бензину. С другой стороны, они приходят в негодность всего за несколько циклов разряда и быстро теряют емкость из-за трещин, металлических "усов", пор и других дефектов внутри анода батареи во время ее зарядки.

Ультразвуковая мешалка

Лю и его коллеги решили эту проблему. Они не стали пытаться помешать образованию этих дефектов изнутри, а начали искать силы и процессы, которые могут сделать это извне. Перебрав несколько вариантов, в том числе и генераторы магнитных полей, ученые начали экспериментировать с очень компактными, но мощными генераторами ультразвука, которые применяются в современных мобильных гаджетах.

Подобные устройства, как заметили физики, могут значительно ускорить движение ионов и других компонентов электролита, а также равномерно перемешивать его. Это натолкнуло исследователей на мысль, что ультразвуковые излучатели могут помешать появлению новых трещин и прочих дефектов внутри и вокруг анода.

Руководствуясь этой идеей, Лю и его коллеги собрали несколько экспериментальных прототипов обычных литий-ионных и перспективных литий-воздушных аккумуляторов, к каждому из которых ученые прикрепили генератор ультразвука. Включали его только при зарядке.

Последующие опыты показали, что благодаря этому и те, и другие аккумуляторы почти вечными. Это было связано с тем, что ультразвук мешал плотности лития уменьшаться и резко замедлил формирование новых "усов" и прочих деформаций в структуре анода как при низких, так и при сверхвысоких токах зарядки.

В таких условиях, как отмечают исследователи, емкость обычных батарей быстро упала до 8% и внутри них начали происходить короткие замыкания, чего не наблюдалось при использовании ультразвука. При менее быстрой зарядке этот прием удвоил долговечность всех типов аккумуляторов, в результате чего они достигли отметки в 2000 циклов для обычных батарей и 250 циклов для литий-воздушных источников питания. Время их полной зарядки при этом составило всего 10 минут.

Как надеются ученые, их идею можно будет использовать как при разработке мощных и емких батарей, которые нужны для работы электромобилей и тяжелого промышленного оборудования, так и для улучшения свойств более скромных аккумуляторов современных цифровых устройств.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.