Новый тип полностью твердотельных перезаряжаемых воздушных батарей
Исследователи из Университета Васэда и Университета Яманаси (Япония) разработали прототип твердой воздушной батареи, в которой вместо традиционных металлов используется твердый электролит и органические молекулы. Концепция направлена на повышение долговечности и безопасности батареи, не говоря уже о ее производительности. Это может привести к созданию более долговечных батарей для наших электронных устройств и тем самым способствовать переходу к нулевому выбросу углерода.
Воздушные батареи — это серьезный шаг вперед в мире портативной энергетики. Эти устройства используют кислород, содержащийся в нашей атмосфере, для выработки электроэнергии. Во время разряда кислород из окружающей среды улавливается и используется в химической реакции на катоде батареи, выделяя энергию. Чаще всего эта технология применяется в металло-воздушных аккумуляторах. В таких батареях анод обычно изготавливается из металла. Часто они имеют жидкий электролит.
Однако японские исследователи не стали придерживаться общепринятой практики, а рассмотрели другой подход. Вместо металла в качестве основного компонента анода они использовали органические молекулы. Кроме того, они заменили обычный жидкий электролит на твердый. Полученная батарея известна как полностью твердотельная перезаряжаемая воздушная батарея (SSAB). Подробная информация о прототипе опубликована на сервере Wiley Online Library.
DHBQ, PDBM и Nafion
В основе каждого аккумулятора лежит так называемый «активный электродный материал». Этот важнейший компонент является главным действующим лицом химических реакций, происходящих при заряде и разряде аккумулятора. Традиционно в качестве активных материалов, особенно для анода, предпочитают использовать металлы.
В своем подходе исследователи решили заменить металлы органическими молекулами, обладающими окислительно-восстановительной способностью. Они выбрали конкретную молекулу — 2,5-дигидрокси-1,4-бензохинон (DHBQ) и ее полимерную версию — поли(2,5-дигидрокси-1,4-бензохинон-3,6-метилен) (PDBM). Эти молекулы были выбраны по совершенно определенной причине: они демонстрируют окислительно-восстановительные реакции, которые не только стабильны, но и обратимы даже в кислой среде. В качестве электролита (вещества, обеспечивающего движение ионов внутри батареи) использовался твердый полимер Nafion.
Характеристики и потенциал SSAB
Одно из первых заметных наблюдений, сделанных исследователями, касалось устойчивости новой батареи к воздействию некоторых элементов. В то время как обычные воздушные батареи с металлическим отрицательным электродом (анодом) и жидким электролитом проявляют признаки деградации в присутствии воды и кислорода, новая конструкция продемонстрировала впечатляющую устойчивость к воздействию этих двух молекул.
Что касается емкости электрического разряда, то здесь материал PDBM превзошел DHBQ. При разрядной емкости 176,1 мА-ч на грамм PDBM значительно превосходит DHBQ, который при постоянной плотности тока 1 мА см-2 имел емкость всего 29,7 мА-ч. Однако после 30 циклов использования емкость батареи PDBM снизилась до 44%. Чтобы решить эту проблему, исследователи увеличили количество Nafion, что позволило увеличить емкость до 78% после 30 циклов.
Повышенная кулоновская емкость
Кулоновская емкость — еще один важный показатель эффективности аккумулятора. Она показывает соотношение между энергией, которую можно извлечь из батареи при ее разрядке, и энергией, запасенной при ее зарядке. Проще говоря, это сравнение энергии, вложенной в батарею, и энергии, извлеченной из нее. Это также можно назвать КПД.
В случае с батареей PDBM результаты оказались многообещающими. При температуре 4 °С (то есть батарея полностью разряжается за 15 минут) кулоновская эффективность составила 84%. Однако при более высокой температуре 101 °С (менее минуты для полного разряда) эта эффективность снизилась до 66%. Это свидетельствует о том, что, хотя батарея хорошо работает при умеренных скоростях разряда, при более высоких скоростях она может оказаться менее эффективной.