|
Безкобальтовые батареи могут питать автомобили будущего
|
|
|
|
Многие электромобили питаются от батарей, содержащих кобальт — металл, который влечет за собой высокие финансовые, экологические и социальные издержки. Исследователи Массачусетского технологического института разработали материал для аккумуляторов, который может предложить более экологичный способ питания электромобилей. Новая литий-ионная батарея включает в себя катод на основе органических материалов вместо кобальта или никеля (еще одного металла, часто используемого в литий-ионных батареях). В новом исследовании ученые показали, что этот материал, который можно производить с гораздо меньшими затратами, чем кобальтсодержащие батареи, может проводить электричество с той же скоростью, что и кобальтовые батареи. Новая батарея также имеет сопоставимую емкость и может заряжаться быстрее, чем кобальтовые батареи, сообщают исследователи.
|
|
|
|
«Я думаю, что этот материал может оказать большое влияние, потому что он работает очень хорошо», — говорит Мирча Динкэ, W.M. Кек, профессор энергетики Массачусетского технологического института. «Она уже конкурентоспособна по сравнению с существующими технологиями и может сэкономить много средств, усилий и экологических проблем, связанных с добычей металлов, которые в настоящее время используются в батареях». Динкэ является старшим автором исследования, которое опубликовано сегодня (18 января) в журнале ACS Central Science. Тяньян Чен, доктор философии. '23 и Хариш Банда, бывший постдок Массачусетского технологического института, являются ведущими авторами статьи. Среди других авторов — Цзянде Ван, постдок Массачусетского технологического института; Юлиус Оппенгейм, аспирант Массачусетского технологического института; и Алессандро Франчески, научный сотрудник Болонского университета.
|
|
|
Большинство электромобилей питаются от литий-ионных аккумуляторов — типа аккумуляторов, которые перезаряжаются, когда ионы лития перетекают от положительно заряженного электрода, называемого катодом, к отрицательно заряженному электроду, называемому анодом. В большинстве литий-ионных батарей катод содержит кобальт — металл, обладающий высокой стабильностью и плотностью энергии. Однако у кобальта есть существенные недостатки. Это дефицитный металл, его цена может резко колебаться, а большая часть мировых месторождений кобальта расположена в политически нестабильных странах. Добыча кобальта создает опасные условия труда и приводит к образованию токсичных отходов, которые загрязняют землю, воздух и воду вокруг шахт.
|
|
|
|
«Кобальтовые батареи могут хранить много энергии, и у них есть все характеристики, которые интересуют людей с точки зрения производительности, но у них есть проблема: они не широко доступны, а стоимость сильно колеблется в зависимости от цен на сырье. из-за гораздо большей доли электрифицированных автомобилей на потребительском рынке, они, безусловно, станут дороже», — говорит Динкэ. Из-за множества недостатков кобальта было проведено большое количество исследований по разработке альтернативных материалов для батарей. Одним из таких материалов является литий-железо-фосфат (LFP), который некоторые производители автомобилей начинают использовать в электромобилях. Несмотря на то, что LFP по-прежнему практически полезен, его плотность энергии составляет лишь половину от кобальтовых и никелевых батарей.
|
|
|
|
Еще одним привлекательным вариантом являются органические материалы, но до сих пор большинство из этих материалов не могут сравниться по проводимости, емкости и сроку службы с кобальтсодержащими батареями. Из-за их низкой проводимости такие материалы обычно необходимо смешивать со связующими веществами, такими как полимеры, которые помогают им поддерживать проводящую сеть. Эти связующие, составляющие не менее 50 процентов от общего количества материала, снижают емкость аккумулятора. Около шести лет назад лаборатория Динкэ начала работу над проектом, финансируемым Lamborghini, по разработке органической батареи, которую можно было бы использовать для питания электромобилей. Работая над пористыми материалами, которые были частично органическими, а частично неорганическими, Динкэ и его ученики поняли, что созданный ими полностью органический материал может быть сильным проводником.
|
|
|
|
Этот материал состоит из множества слоев TAQ (бис-тетрааминобензохинона), небольшой органической молекулы, содержащей три слитых гексагональных кольца. Эти слои могут расширяться во всех направлениях, образуя структуру, подобную графиту. Внутри молекул находятся химические группы, называемые хинонами, которые являются резервуарами электронов, и амины, которые помогают материалу образовывать прочные водородные связи. Эти водородные связи делают материал очень стабильным, а также очень нерастворимым. Эта нерастворимость важна, поскольку она предотвращает растворение материала в электролите батареи, как это происходит с некоторыми органическими материалами батареи, тем самым продлевая срок ее службы.
|
|
|
|
«Один из основных методов разложения органических материалов заключается в том, что они просто растворяются в электролите батареи и переходят на другую сторону батареи, по сути создавая короткое замыкание. Если вы сделаете материал полностью нерастворимым, этот процесс не изменится. произойдет, поэтому мы сможем выдержать более 2000 циклов зарядки с минимальной деградацией», — говорит Динкэ. Испытания этого материала показали, что его проводимость и емкость хранения сопоставимы с традиционными кобальтсодержащими батареями. Кроме того, батареи с катодом TAQ можно заряжать и разряжать быстрее, чем существующие батареи, что может ускорить скорость зарядки электромобилей. Чтобы стабилизировать органический материал и повысить его способность прилипать к токосъемнику батареи, сделанному из меди или алюминия, исследователи добавили наполнители, такие как целлюлоза и резина. Эти наполнители составляют менее одной десятой общего катодного композита, поэтому они не уменьшают существенно емкость аккумулятора.
|
|
|
|
Эти наполнители также продлевают срок службы катода батареи, предотвращая его растрескивание, когда ионы лития попадают в катод во время зарядки батареи. Первичными материалами, необходимыми для изготовления катода этого типа, являются предшественник хинона и предшественник амина, которые уже коммерчески доступны и производятся в больших количествах в качестве товарных химикатов. По оценкам исследователей, стоимость материалов для сборки этих органических батарей может составлять от одной трети до половины стоимости кобальтовых батарей. Lamborghini получила лицензию на патент на эту технологию. Лаборатория Динкэ планирует продолжить разработку альтернативных материалов для батарей и изучает возможную замену лития натрием или магнием, которые дешевле и более распространены, чем литий.
|
|
|
|
Источник
|
