Почему новая литиевая батарея может обеспечить сверхдлительный срок службы

Суперлитиевая батарея Кристофера Волвертона теоретически может работать. В сложной задаче батарея использует кислород для запуска химических реакций. Ранее исследователи полагали, что это приведет к нестабильности батареи, но эксперимент показал, что батарея не только может работать должным образом, но и имеет высокую производительность.

В сотрудничестве с исследователями из Аргоннской национальной лаборатории исследовательская группа Волвертона из Нортвортского университета разработала перезаряжаемую литий-железооксидную батарею, в которой больше литий-железооксидных батарей, чем в обычных литий-кобальтооксидных батареях. Его можно превратить в аккумуляторы большей емкости, и они могут поддерживать жизнь смартфонов и электромобилей.

«Наши прогнозные расчеты этого типа реакции батареи очень многообещающие, но есть много скептиков, которые появятся, если не будет экспериментального процесса для подтверждения», - сказал Волвертон, профессор материаловедения и инженерии в инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. . «На самом деле это сыграло очень важную роль».

Литий-ионные батареи работают, перемещая ионы лития между анодом и катодом. Когда аккумулятор заряжен, ионы возвращаются к аноду, где они хранятся. Катод изготовлен из ионов лития, переходных металлов и соединений кислорода. Когда ионы лития перемещаются от анода к катоду и возвращаются, кобальт может эффективно накапливать и выделять электрическую энергию, а емкость катода впоследствии ограничивается количеством электронов в переходном металле, участвующем в реакции.

«Традиционно переходные металлы могут реагировать», - сказал Волвертон. «Поскольку каждый кобальт представляет собой только один ион лития, существует ограничение на объем памяти, и, что еще хуже, в настоящее время батареи мобильных телефонов или ноутбуков обычно используют только половину катода лития».

Литий-кобальтовые батареи присутствуют на рынке уже 20 лет, но исследователи ищут более дешевые альтернативы с большей емкостью. Команда Волвертона использовала две стратегии для улучшения обычных литий-кобальтовых батарей: замена кобальта железом и принуждение кислорода к участию в процессе реакции.

Если кислород может также накапливать и выделять электричество, батарея будет более эффективно хранить и использовать литий. Хотя другие исследовательские группы пробовали эту стратегию в прошлом, немногие достигли этого. «Проблема в том, что если вы попытаетесь вовлечь в реакцию кислород, соединение станет нестабильным», - сказал Яо. «Кислород выйдет из батареи, и реакция будет необратимой».

Путем расчетов Волвертон и Яо нашли обратимую формулу. Во-первых, они используют железо вместо кобальта, что чрезвычайно выгодно, потому что это один из самых дешевых элементов в периодической таблице. Во-вторых, путем расчетов они нашли правильный баланс ионов лития, ионов железа и ионов кислорода, так что ионы кислорода и железа одновременно запускают обратимые реакции, не позволяя кислороду улетучиваться.

Волвертон сказал: «У батареи не только интересная химическая реакция, потому что мы получаем электроны из металла и кислорода, а не из железа. Возможно, что лучшие батареи также будут дешевле. Что еще более важно, полностью перезаряжаемые батареи питаются от четырех литиевых батарей. ионы, и текущая реакция может обратимо использовать один из этих ионов лития, значительно превышая емкость современных батарей.Однако использование железа и кислорода для запуска реакции сделает все четыре цикла очень многообещающими.

Волвертон сказал: «Каждый металл содержит четыре литий-иона - это заменит все литиевые батареи. Это означает, что ваш мобильный телефон может работать в восемь раз дольше, или ваша машина может продолжать движение восемь раз. Если электромобили смогут конкурировать и даже превосходить автомобили с бензиновым двигателем с точки зрения объема и стоимости, это изменит мировой энергетический рынок.

Страница содержит содержимое машинного перевода.