Новые аккумуляторы изменяются с твердых на жидкие и обратно на «самовосстанавливающиеся». Автор: Эрик Детси
Одной из самых больших проблем в борьбе с изменением климата является хранение энергии. Ископаемое топливо по сути хранит само себя, при этом его энергия заперта внутри его собственных химических связей. Но как хранить более устойчивые, но в остальном эфемерные формы энергии, такие как энергия ветра и солнца?
По мнению Эрика Детси, доцента кафедры материаловедения и инженерии (MSE), ответ — аккумуляторы, с оговоркой, что аккумуляторов, достаточно мощных, чтобы удовлетворить будущие потребности в энергии (по прогнозам Международного энергетического агентства, к 2030 году мировая емкость аккумуляторов должна будет увеличиться в шесть раз), пока не существует.
В большинстве используемых сегодня батарей, от одноразовых щелочных батареек в бытовых приборах, таких как будильники, до перезаряжаемых литий-ионных батарей в гибридных и электромобилях, электроды, между которыми текут ионы, обычно изготавливаются из твердых материалов, таких как оксиды металлов или графит. Но, как указывает Детси, каждый цикл зарядки и разрядки батареи повреждает материал, поскольку электроды расширяются и сжимаются, иногда на целых 300%, что является одной из причин, по которой даже перезаряжаемые батареи постепенно теряют емкость и в конечном итоге выходят из строя.
«Существует потребность в материалах, которые могут хранить большое количество лития, натрия и магния для использования в высокопроизводительных батареях», — говорит Детси. «Проблема в том, что чем больше лития, натрия или магния может хранить материал батареи, тем больше он расширяется и сжимается во время зарядки и разрядки, что приводит к огромному изменению объема».
Некоторые исследователи, включая лауреата Нобелевской премии 2019 года Джона Гуденафа, одного из отцов литий-ионных аккумуляторов, недавно начали разрабатывать аккумуляторы с жидкими электродами, которые не ломаются при изменении их объема. Но жидкие электроды представляют другие проблемы, а именно сложность безопасного производства и использования аккумуляторов, которые ведут себя как водяные шары. Другими словами, просто построить более крупные или жидкие аккумуляторы не получится — чтобы спроектировать аккумуляторы будущего, исследователям нужно будет создать совершенно новые материалы.
Более того, многие элементы, обычно используемые в серийно производимых перезаряжаемых батареях, такие как литий и кобальт, становятся все более дорогими, не говоря уже о том, что они замешаны в нарушениях прав человека, поскольку спрос на батареи растет. (В прошлом году Сиддарт Кара, профессор Ноттингемского университета, опубликовал статью «Кобальтовый красный: как кровь Конго питает наши жизни», в которой разоблачаются ужасающие трудовые практики в Демократической Республике Конго, которая производит три четверти мирового кобальта.)
«Потребность в высокопроизводительных батареях для новых приложений по хранению энергии, таких как сетевые хранилища и электромобили, побудила меня изучить материалы для батарей», — говорит Детси.
С этой целью его группа изучала батареи, сделанные в основном из натрия и магния, которые дешевле и менее этичны, поскольку натрий и магний в изобилии присутствуют в земной коре. Что еще более важно, ресурсы натрия и магния в изобилии имеются в США. Например, по данным Геологической службы США (USGS), 68,8% мировых запасов карбоната натрия (кальцинированной соды) и 14,5% мировых запасов хлорида натрия (соли), которые необходимы для производства натрия, находятся в США.
Микроскопический вид новых аккумуляторов до (a) и после (b) процесса самовосстановления. Автор: Эрик Детси
Группа Детси использует эти металлы для разработки электродов, которые переходят из жидкого состояния в твердое, чтобы избежать повреждений во время циклов зарядки, при этом оставаясь простыми в производстве.
«Когда материал находится в твердой фазе, он начнет деградировать из-за огромных изменений объема, происходящих во время хранения заряда», — говорит Детси. «Однако, когда материал переходит из твердого состояния в жидкое, он «исцеляется» сам, восстанавливаясь после деградации, вызванной изменением объема».
Сначала Детси продемонстрировал осуществимость этого подхода, используя анод — электрод, который собирает ионы во время зарядки, — изготовленный из пентагаллида магния (Mg2Ga5), смеси магния и галлия, последний из которых имеет низкую температуру плавления, что позволяет таким сплавам легко переходить из твердого состояния в жидкое.
В 2019 году лаборатория Детси совместно с лабораторией Вивека Шеноя, почетного профессора Эдуардо Д. Гландта в области MSE, машиностроения и прикладной механики (MEAM) и биоинженерии (BE), показали, что самовосстанавливающиеся аноды из Mg2Ga5 могут выдерживать более 1000 циклов зарядки.
«До нашей работы», — говорит Детси, — «срок службы современных анодов магний-ионных аккумуляторов составлял всего 200 циклов». Другими словами, добавление самовосстанавливающегося анода увеличило первоначальный срок службы магний-ионных аккумуляторов в пять раз.
Ранее в этом году лаборатория Детси пошла еще дальше, используя анод из галлия и индия, который плавится при комнатной температуре, что потенциально открывает двери для коммерческого применения. Экспериментальный анод выдержал 2000 циклов зарядки, сохранив 91% емкости аккумулятора. «Это беспрецедентно», — говорит Детси. Для контекста: iPhone 15 может выдержать 1000 циклов зарядки, сохранив 80% емкости аккумулятора.
Для продвижения проекта Детси и его соавторы — Линь Ван и Александр Нг, недавние выпускники докторантуры, а также Роксана Фэмили, научный сотрудник, — использовали различные передовые методы визуализации, чтобы лучше понять превращение материала из твердого состояния в жидкое, включая рентгеновскую дифракцию, рассеяние рентгеновских лучей, рентгеновскую спектроскопию и криогенную сканирующую электронную микроскопию. Последняя технология подразумевает замораживание жидких металлических анодов на разных стадиях, чтобы лучше изучить процесс самовосстановления, как описали Детси и его группа в статье 2023 года, опубликованной в ACS Energy Letters.
Почти десять лет назад, когда Детси и его группа начали изучать концепцию самовосстанавливающихся натрий- и магний-ионных аккумуляторов, вряд ли кто-то воспринимал его идеи всерьез.
«Я помню, как рецензент одного из наших предложений по натрий-ионным аккумуляторам спросил, почему натрий-ионные аккумуляторы не коммерциализируются, если они такие замечательные», — говорит Детси. «В то время существовала только одна стартап-компания, разрабатывающая натрий-ионные аккумуляторы. Теперь их много по всему миру».
Информация о журнале: Письма ACS Energy, предоставленные Пенсильванским университетом
