Представьте, что вам не нужно заряжать свой телефон или ноутбук в течение нескольких недель. Это мечта исследователей, ищущих альтернативные батареи, которые выходят за рамки современных литий-ионных версий, популярных сегодня.
23:54
Теперь, в новом исследовании, появившемся в журнале Science , химики из нескольких учреждений, включая Caltech и Лабораторию реактивного движения, которой управляет Caltech для НАСА, а также Исследовательский институт Honda и Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли, столкнулись с новый способ изготовления аккумуляторных батарей на основе фтора, отрицательно заряженной формы или аниона элемента фтора.
«Фторидные батареи могут иметь более высокую плотность энергии, что означает, что они могут работать дольше - до восьми раз дольше, чем используемые батареи сегодня», - говорит соавтор исследования Роберт Граббс, профессор Caltech Виктор и Элизабет Аткинс, профессор химии и победитель. Нобелевской премии 2005 года по химии. «Но с фтором может быть сложно работать, в частности, потому что он настолько агрессивен и агрессивен».
В 1970-х годах исследователи пытались создать перезаряжаемые фторидные батареи с использованием твердых компонентов, но твердотельные батареи работают только при высоких температурах, что делает их непрактичными для повседневного использования. В новом исследовании авторы сообщают, наконец, выясняют, как заставить фторидные батареи работать с использованием жидких компонентов - и жидкие батареи легко работают при комнатной температуре.
«Мы все еще находимся на ранних стадиях разработки, но это первая перезаряжаемая фторидная батарея, которая работает при комнатной температуре», - говорит Саймон Джонс, химик из JPL и соответствующий автор нового исследования.
Аккумуляторы управляют электрическим током, перемещая заряженные атомы - или ионы - между положительным и отрицательным электродом. Этот процесс челнока протекает легче при комнатной температуре, когда речь идет о жидкостях. В случае ионно-литиевых батарей литий перемещается между электродами с помощью жидкого раствора или электролита.
«Зарядка аккумулятора - это все равно, что подтолкнуть мяч вверх по склону, а затем дать ему снова и снова катиться обратно», - говорит соавтор Томас Миллер, профессор химии в Калифорнийском технологическом институте. «Вы идете вперед и назад между хранением энергии и ее использованием».
Хотя ионы лития являются положительными (так называемые катионы), фторид-ионы, используемые в новом исследовании, несут отрицательный заряд (и называются анионами). Работа с анионами в батареях сопряжена как с проблемами, так и с преимуществами.
«Для батареи, которая длится дольше, вам нужно перемещать большее количество зарядов. Перемещение многозарядных металлических катионов сложно, но аналогичный результат может быть достигнут путем перемещения нескольких однозарядных анионов, которые перемещаются сравнительно легко», - говорит Джонс. кто проводит исследования в JPL по источникам энергии, необходимым для космического корабля. «Проблемы с этой схемой заставляют систему работать при полезных напряжениях. В этом новом исследовании мы демонстрируем, что анионы действительно заслуживают внимания в области науки о батареях, поскольку мы показываем, что фторид может работать при достаточно высоких напряжениях».
Ключом к тому, чтобы фторидные батареи работали в жидком, а не твердом состоянии, оказалась электролитная жидкость, называемая бис (2,2,2-трифторэтил) эфиром или BTFE. Этот растворитель помогает поддерживать стабильность фторид-иона, чтобы он мог перемещать электроны назад и вперед в батарее. Джонс говорит, что его стажер в то время, Виктория Дэвис, которая сейчас учится в университете Северной Каролины, Чапел-Хилл, была первой, кто решил попробовать BTFE. Хотя у Джонса не было особой надежды на успех, команда все равно решила попробовать и была удивлена, что это сработало так хорошо.
В этот момент Джонс обратился к Миллеру с просьбой помочь понять, почему решение работает. Миллер и его группа провели компьютерное моделирование реакции и выяснили, какие аспекты BTFE стабилизировали фторид. Оттуда команда смогла настроить решение BTFE, модифицировав его добавками, чтобы улучшить его производительность и стабильность.
«Мы открываем новый способ изготовления более долговечных батарей», - говорит Джонс. «Фтор возвращается в батареи».
Источник: https://www.sciencedaily.com/
