Виктор Левин
Учёные из Японии создали новое поколение твёрдотельных аккумуляторов на основе магния и кислорода воздуха. Данная разработка отличается улучшенными показателями безопасности, стойкостью к износу и механической гибкостью. Эта технология потенциально может стать более доступной и долговечной заменой распространённым сегодня литиевым батареям, применяемым в электротранспорте и накопителях энергии.
Источник: ScienceDirect
Исследование провели специалисты Университета Цукубы, сконцентрировавшись на решении фундаментальной проблемы подобных систем — химической неустойчивости положительного электрода.
Принцип работы таких аккумуляторов заключается в использовании атмосферного кислорода в качестве активного вещества на катоде. Теоретически они способны достигать энергоёмкости, близкой к литий-воздушным аналогам. Однако на практике их срок службы значительно сокращался из-за коррозионных процессов внутри элемента. Долгое время основной причиной неполадок считались ионы хлора в жидком электролите, провоцирующие внутреннее хлорирование. Это разрушает катод и прочие компоненты, приводя к стремительной потере ёмкости в процессе циклов заряда-разряда.
В новой архитектуре учёные применили инновационные материалы. Вместо стандартных катодов из платины был использован азотированный пористый графен, который обладает высокой каталитической активностью и невосприимчивостью к воздействию хлоридов. Анод выполнен из коммерческого металлического магния, а роль электролита играет твёрдый полимерный гель с включением хлорида магния. Замена жидкого электролита на твёрдотельный аналог радикально повысила безопасность и механическую стабильность всей конструкции.
Синергия нового каталитического катода и гелевого электролита
Как отмечают разработчики, именно синергия нового каталитического катода и гелевого электролита обеспечила устойчивую работу батареи при многочисленных циклах. Пористая графеновая структура выполняет ключевую функцию: она предоставляет пространство для размещения продуктов разряда и гарантирует эффективный массоперенос, что является критически важным для стабильности воздушных аккумуляторов.
В ходе тестирования представленная магниево-воздушная батарея показала результаты, превосходящие системы с платиновыми катодами, по таким параметрам, как устойчивость к деградации и эффективность кислородных реакций. Существенным бонусом стало полное отсутствие риска протечек электролита, свойственного жидкостным системам. Это создаёт предпосылки для производства более практичных и надёжных накопителей энергии для повседневного использования.
В испытаниях на гибкость элемент сохранял работоспособность и исходные характеристики даже при изгибе под углом 120 градусов, без каких-либо признаков выделения электролита. Подобная пластичность открывает перспективы для применения разработки не только в сфере электромобилей и стационарных хранилищ, но также в гибкой электронике и носимых гаджетах.
Использование магния, который существенно дешевле и более распространён в природе, чем литий и платина, способно снизить зависимость от ненадёжных цепочек поставок и уменьшить итоговую стоимость технологий. Долгое время магниево-воздушные аккумуляторы рассматривались как перспективные, но сложные для внедрения в массовое производство именно из-за проблем с долговременной стабильностью. Устранив деградацию катода от хлоридов и стабилизировав электролит, японские исследователи показали реальный путь к созданию перезаряжаемых батарей высокой ёмкости на основе магния.
Результаты данного исследования были опубликованы в издании Advanced Functional Materials и, по мнению авторов, могут внести значительный вклад в развитие более безопасных и экономичных решений для повсеместной электрификации.
Ранее «Химагрегаты» сообщали о том, что японская инженерная корпорация Kawasaki Heavy Industries совершила прорыв в сфере водородных технологий, запустив в серийное производство первые в мире крупногабаритные газопоршневые двигатели, способные функционировать на топливной смеси с 30-процентным содержанием водорода. Эта инновация открывает путь к сокращению углеродного следа в энергетике уже сегодня, не требуя кардинальной перестройки существующей газовой инфраструктуры под чистый водород.