Розглянемо найперше джерело струму, винайдений Вольтою і що носить ім'я Гальвані.

Джерелом струму в будь-яких батареях може бути виключно окислювально-відновна реакція. Власне, це дві реакції: атом окислюється, коли він втрачає електрон. Отримання ж електрона називається відновленням. Тобто окислювально-відновна реакція протікає у двох точках: там звідки і там куди течуть електрони.

Два метали (електроди) опущені у водний розчин їх солей сірчаної кислоти. Метал одного електрода окислюється, а іншого відновлюється. Причина протікання реакції в тому, що елементи одного електрода сильніше притягує електрони ніж елементи іншого. У парі металевих електродів Zn - Cu іон (не нейтральне з'єднання) міді має більшу здатність притягувати електрони, тому, коли існує можливість електрон переходить до сильнішого господаря, а іон цинку вихоплюється розчином кислоти в електроліт (яка іонопровідна субстанція). Трансфер електронів здійснюється провідником через зовнішню електромережу. Прально з переміщенням негативного заряду у зворотному напрямку через електроліт переміщуються позитивно заряджені іони (аніони) (див. відео)

У всіх ХІТ, що передують Літій-іонним, електроліт є активним учасником протікають реакцій
см принцип роботи свинцевого акуулятора

Помилка Гальвані

Електроліт також є провідником струму, тільки другого роду, переміщення заряду в якому здійснюють іони. Людське тіло є саме таким провідником, і м'язи скорочуються через переміщення аніонів і катіонів.
Так Л. Гальвані випадково поєднав два електроди через природний електроліт – препаровану жабу.

Характеристики ХІТ

Місткість – кількість електронів (ел.заряд), яка може бути пропущена через підключений пристрій, до повного розряду батареї [Q] або
Ємність всієї батарейки утворюють ємності катода і анода: скільки електронів здатний віддати анод і скільки електронів катод здатний прийняти. Звичайно, що обмежує, буде менша з двох ємностей.

Напруга – різниця потенціалів. характеристика енергетична, що показує яку енергію звільняє одиничний заряд під час переходу від анода до катоду .

Енергія - робота, яку може зробити на даній ХІТ до його повного розряду.
Потужність – швидкість віддачі енергії або робота за одиницю часу
Довговічність або кулонівська ефективність- який відсоток ємності безповоротно втрачається при циклі заряд-розряд.

Усі характеристики передбачаються теоретично, проте через безліч складнооблікових факторів більшість характеристик уточнюють експериментально. Так всі вони можуть бути передбачені для ідеального випадку, ґрунтуючись на хімічному складі, але макроструктура має величезний вплив як на ємність, так і на потужність і довговічність.

Так довговічність і ємність великою мірою залежить як від швидкості зарядки/розрядки, так і від макроструктури електрода.
Тому батарея характеризується не одним параметром, а цілим набором для різних режимів. Наприклад, напруга батареї (енергія трансферу одиничного заряду**) може бути оцінена у першому наближенні (на етапі оцінки перспектив матеріалів) із значень енергій іонізаціїатомів активних речовин при окисленні та відновленні. Але реальне значення – це різниця хім. потенціалів, для вимірювання яких, а також для зняття кривих заряду/розряду збирається тестовий осередок з випробуваним електродом та еталонним.

Для електролітів на основі водних розчинівзастосовують стандартний водневий електрод. Для літій-іонних – металевий літій.

*Енергія іонізації – це енергія, яку потрібно повідомити електрону, щоб зруйнувати зв'язок між ним та атомом. Тобто, взята зі зворотним знаком, є енергією зв'язку, а система завжди прагне мінімізувати енергію зв'язків
** Енергія одиничного трансферу - енергія трансферу одного елементарного заряду 1,6 e-19 [Q] * 1 [V] = 1,6 e-19 [J] або 1 eV (електронвольт)

Літій-іонні батареї

<В 80-х годах литий был предложен, как перспективный материал для анода, но ввиду высокой реактивности, и неконтролируемого преобрзования анода цикл за циклом, например, приводящего к росту литиевых ”веток”, достигающих напрямую катода, что приводило к короткому замыканию во вторичных батареях решили отказаться от использования металического лития в пользу соединений лишь вмещающих ионы лития. Свойства вмещать в себя литий у графита уже были описаны. И в 1991 годы Sony выпустила литиевые батарейки с графитовым анодом под ныне общеупотребимым названием Li-ion.
Як зазначалося, в літій-іонних батареях електроліт не бере безпосередньої участі у реакції. Де ж відбуваються дві основні реакції: окислення і відновлення як і вирівнюється баланс заряду?
Безпосередньо ці реакції протікають між літієм в аноді та атомом металу у структурі катода. Як зазначалося вище, поява літій іонних батарей – це відкриття нових з'єднань для електродів, це відкриття нового принципу функціонування ХИТ:
Слабо пов'язаний з анодом електрон виривається по зовнішньому провіднику до катода.
У катоді електрон звалюватись на орбіту металу, компенсуючи йому практично відібраний у нього киснем 4-й електрон. Тепер електрон металу остаточно приєднується до кисню, і електричним полем, що виходить, іон літію втягується в проміжок між шарами кисню. Таким чином, величезна енергія літій іонних батарей досягається тим, що має справу не з відновленням зовнішніх 1,2 електронів, а з відновленням більш ”глибоких”. Наприклад, для кобольту 4-й електрон.
Іони літію утримуються в катоді за рахунок слабкої, порядку 10kJ/mol, взаємодії (Ван дер Ваальса) з навколишніми електронними хмарами атомів кисню (червоного кольору)

Li – третій елемент , має низьку атомну вагу, і малими розмірами. Через те, що літій починає та ще й другий ряд, розмір нейтрального атома досить великий, тоді як розмір іона дуже малий, менший, ніж розміри атомів гелію і водню, що робить його практично незамінним у схемі ЛІБ. інше наслідок вищесказаного: зовнішній електрон (2s1) має мізерний зв'язок з ядром і легко може бути втрачений (це виявляється у тому, що Літій має найнижчий потенціал щодо водневого електрода P=-3.04V).

Основні компоненти ЛІБ

Електроліт

На відміну від традиційних батарей електроліт разом із сепаратором не бере прямої участі в реакції, а лише забезпечує транспорт іонів літію і не допускає транспорт електронів.
Вимоги до електроліту:
- хороша іонна провідність
- низька електронна
- низька вартість
- мала вага
- нетоксичність
- ЗДІБНІСТЬ ПРАЦЮВАТИ В ЗАВДАНОМУ ДІАПАЗОНІ НАПРУГ І ТЕМПЕРАТУР
- перешкоджати структурним змінам електродів (перешкоджати зниженню ємності)
У цьому огляді я дозволю обійти тему електролітів, технічно складну, але не таку важливу для нашої теми. В основному як електроліт використовується розчин LiFP 6
Хоча вважається, що електроліт із сепаратором – абсолютний ізолятор, насправді це не так:
у літій іонних елементах існує явище саморозряду. тобто. іон літію з електронами досягають катода через електроліт. Тому необхідно тримати акумулятор частково зарядженим у разі тривалого зберігання.
При великих перервах в експлуатації має місце явище старіння, коли з рівномірно насиченого іонами літію виділяються окремі групи, порушуючи рівномірність концентрації і знижуючи тим самим загальну ємність. Тому при покупці акумулятора необхідно перевіряти дату випуску

Аноди

Аноди – електроди, які мають слабкий зв'язок, як з ”гостяним” іоном літію, так і з відповідним електроном. В даний час йде бум розвитку різноманітних рішень для анодів літій іонних батарей.
Вимоги до анодів

• Висока електронна та іонна провідність (Швидкий процес впровадження/вилучення літію)
• Низька напруга із тестовим електродом (Li)
• Велика питома ємність
• Висока стійкість структури анода під час впровадження та вилучення літію, що відповідає за кулонівську.

Методи покращення:

• Змінити макроструктуру структури речовини анода
• Зменшити пористість речовини
• Виберіть новий матеріал.
• Застосовувати комбіновані матеріали
• Поліпшувати властивості прикордонної з електролітом фази.

Загалом аноди для ЛІБ можна розбити на 3 групи за способом розміщення літію у своїй структурі:

Аноди – хости. Графіт

Майже всі запам'ятали із середньої школи, що вуглець існує у твердому вигляді у двох основних структурах – графіті та алмазі. Різниця у властивостях цих двох матеріалів разюча: один прозорий - інший немає. Один ізолятор – інший провідник, один ріже скло, інший стирається об папір. Причина у різному характері міжатомних взаємодій.
Алмаз - це кристалічна структура, де міжатомні зв'язки утворені внаслідок sp3 гібридизації, тобто всі зв'язки однакові - всі три електрони утворюють σ-зв'язку з іншим атомом.
Графіт утворений sp2 гібридизацією, яка диктує шарувату структуру, і слабкий зв'язок між шарами. Наявність ”плаваючого” ковалентного π-зв'язку робить вуглець графіт чудовим провідником
Графіт - перший і на сьогоднішній день основний анодний матеріал, що має безліч плюсів
Висока електронна провідність
Висока іонна провідність
Малі об'ємні деформації під час впровадження атомів літію
Низька вартість
Першим графіт, як матеріал для анода був запропонований ще в 1982 S.Basu і впроваджений, в літій іонну осередок 1985 A. Yoshino
Спочатку в електроді графіт використовувався в природному вигляді і його ємність досягала лише 200 mAh/g . Основним ресурсом підвищення ємності було покращення якості графіту (покращення структури та очищення від домішок). Справа в тому, що властивості графіту значно відрізняються в залежності від його макроструктури, а наявність безлічі анізотропних зерен у структурі, орієнтованих по-різному, значно погіршують дифузійні властивості речовини. Інженери намагалися підвищити ступінь графітизації, та її підвищення вело до розкладання електроліту. Першим рішенням було використовувати подрібнене низько графітизоване вугілля змішане з електролітом, що підвищило ємність анода до 280mAh/g (технологія все ще широко використовується). electrolyte interface) що запобігає подальшому розкладу електроліту і дозволяє використовувати штучний графіт 320 mAh/g . На цей час ємність графітового анода досягла 360 mAh/g , а ємність всього електрода 345mAh/g і 476 Ah/l

Реакція: Li 1-x C 6 +Li x ↔ LiC 6

Структура графіту здатна прийняти максимум 1 атом Li на 6 С, отже максимально досяжна ємність - 372 mAh/g (це не стільки теоретична, скільки загальновживана цифра оскільки тут рідкісний випадок, коли щось реальне перевершує теоретичне, адже на практиці іони літію не тільки всередині осередків, а й на зламах графітових зерен)
З 1991р. графітовий електрод зазнав багатьох змін, і за деякими характеристиками, схоже, як самостійний матеріал, досяг своєї стелі. p align="justify"> Основним полем для вдосконалення є підвищення потужності, тобто. Швидкість розряду/заряду батареї. Завдання збільшення потужності є одночасно завданням збільшення довговічності, оскільки швидка розрядка/зарядка анода призводить до руйнування стуктури графіту, що ”протягуються” через нього іонами літію. Крім стандартних технік підвищення потужності, що зводяться зазвичай до збільшення співвідношення поверхню/обсяг, необхідно відзначити дослідження дифузійних властивостей монокристалу графіту з різних напрямків кристалічної решітки, що показує, що швидкість дифузії літію може відрізнятися на 10 порядків.

К.С. Новосьолов та А.К. Гейм – лауреати нобелівської премії з фізики 2010р. Першовідкривачі самостійного використання графену
Bell Laboratories U.S. Patent 4,423,125
Asahi Chemical Ind. Japan Patent 1989293
Ube Industries Ltd. US Patent 6,033,809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa, і Ralph J. Brodd. Lithium-Ion Batteries Science and Technologies Springer 2009
Lithium Diffusion in Graphitic Carbon Kristin Persson at.al. Phis. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010
Структурні та електронні властивості lithium intercalated graphite LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Review 2003 року.
Active material для negative electrode використовуваний в lithium-ion battery і метод manufacturing same. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923,908 2003
Діяльність electrode density on cycle performance and irreversible capacity loss for natural graphite anode in lithium ion batteries. Joongpyo Shim and Kathryn A. Striebel

Аноди Олов'яні та Ко. Сплави

На сьогоднішній день одними з найперспективніших є аноди з елементів 14-ї групи періодичної таблиці. Ще 30 років тому здатність олова (Sn) утворювати сплави (розчини застосування) з літієм була добре вивчена. Лише у 1995 році Fuji анонсувала анодний матеріал заснований на олові (див., наприклад)
Логічним було очікувати, що легші елементи тієї ж групи будуть мати ті ж властивості, і дійсно Кремній (Si) і Німеччина (Ge) показують ідентичний характер прийняття літію
Li 22 Sn 5, Li 22 Ge 5, Li 15 Si 4

Li x + Sn (Si, Ge)<-->Li x Sn (Si, Ge) (x<=4.4)
Основною і загальною складністю у застосуванні цієї групи матеріалів є великі, від 357% до 400%, об'ємні деформації при насиченні літієм (при зарядці), що призводять до великих втрат у ємності внаслідок втрати частиною матеріалу анода контакту з токоснімачем.

Мабуть, найбільш опрацьованим елементом цієї групи є олово:
будучи найважчим дає більш важкі рішення: максимальна теоретична ємність такого анода 960 mAh/g , але компактні (7000 Ah/l -1960Ah/l* ) перевершують традиційні вуглецеві аноди 3 і 8 (2.7* ) разів відповідно.
Найбільш перспективними вважаються аноди на основі Кремнію, які теоретично (4200 mAh/g ~3590mAh/g ) більш ніж у 10 разів легші і в 11 (3.14*) разів компактніші (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) графітових.
Si не має достатньої електронної та іонної провідності, що змушує шукати додаткові засоби підвищення потужності анода
Ge , германій не згадується так часто, як Sn і Si, але будучи проміжним, має велику (1600 mAh/g ~2200* Ah/l ) ємність і в 400 разів вищу, ніж у Si іонної провідністю, що може переважити його високу вартість при створенні високопотужної електротехніки

Поряд із великими об'ємними деформаціями існує й інша проблема:
втрата ємності на першому циклі через необоротну реакцію літію з оксидами

SnO x +x2Li + -->xLi 2 O+Sn
xLi 2 O+Sn+yLi +<-->xLi 2 O+Li y Sn

Яких тим більше, чим більше контакт електрода з повітрям (що більша площа поверхні, тобто чим дрібніша структура)
Розроблено безліч схем, що дозволяють тією чи іншою мірою задіяти великий потенціал цих сполук, згладжуючи недоліки. Втім, як і переваги:
Всі ці матеріали сьогодні застосовуються в комбінованих з графітом анодах, піднімаючи їх характеристики на 20-30%.

* позначені значення, скориговані автором, оскільки поширені цифри не враховують значного збільшення обсягу і оперують із значенням щільності активної речовини (до насичення літієм), а значить справ не відбивають реальний стан справ

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
US Patent Application 20080003502.
Chemistry and Structure of Sony's Nexelion
Li-ion Electrode Materials
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read, і D. Foster
Army Research Laboratory 2006.

Electrodes for Li-Ion Batteries-A New Way to Look at Old Problem
Journal of The Electrochemical Society, 155 -2 A158-A163 -2008.

Існуючі розробки

Всі існуючі розв'язання проблеми великих деформацій анода виходять з єдиного міркування: при розширенні причиною механічних напруг є монолітність системи: розбити монолітний електрод на безліч можливо дрібніших структур, надавши їм розширюватися незалежно один від одного.
Перший, найбільш очевидний, метод - це просте подрібнення речовини з використанням якого-небудь власника, що запобігає об'єднанню частинок у більші, а також насичення суміші електроно-провідними агентами, що вийшла. Таке рішення можна було простежити в еволюції графітових електродів. Даний метод дозволив домогтися деякого прогресу у збільшенні ємності анодів, але до повного розкриття потенціалу матеріалів, що розглядаються, збільшивши ємність (як об'ємну, так і масову) анода на ~10-30% (400 -550 mAh/g ) при невисокій потужності
Щодо раннього способу впровадження нанорозмірних частинок олова (електролізом) на поверхню графітових сфер,
Геніальний та простий погляд на проблему дозволив створити ефективну батарею, використовуючи звичайний промислово отриманий порошок 1668 Ah/l
Наступним кроком став перехід від мікрочастинок до наночасток: ультрасучасні батареї та їх прототипи розглядають і формують структури речовини в масштабі нанометрів, що дозволило збільшити ємність до 500 -600 mAh/g (~600 Ah/l *) при прийнятній довговічності.

Одним із багато обіцяючих видів наноструктур в електродах є т.зв. конфігураця оболонка-ядро, де ядро ​​– куля малого діаметра з робочої речовини, а оболонка служить ”мембраною”, що запобігає страхуванню частинок та забезпечує електронний зв'язок із оточенням. Вражаючі результати показало використання міді, як оболонки для наночастинок олова, показавши високу ємність (800 mAh/g - 540 mAh/g *) протягом багатьох циклів, а також при високих струмах зарядки/розрядки. У порівнянні з вуглецевою хмарою (600 mAh/g ) аналогічно для Si-C Оскільки Наношари повністю складаються з активної речовини, то її об'ємну ємність слід визнати однією з найвищих (1740 Ah/l (*))

Як зазначалося, зменшення згубних впливів різкого розширення робочої речовини потрібно надання простору розширення.
В останній рік дослідники досягли вражаючого прогресу зі створення працездатних наноструктур: нано стрижнів
Jaephil Cho досяг 2800 mAh/g низької потужності на 100 циклів і 2600 → 2400 за більш високої потужності використовуючи пористу силіконову структуру
а також стійкі Si нановолокна, покриті 40нм плівкою графіту, що демонструють 3400 → 2750 mAh/g (акт. в-ва) через 200 циклів.
Yan Yao та співавтори пропонують використовувати Si у вигляді порожніх сфер, домагаючись разючої довговічності: початкова ємність 2725 mah/g (і всього 336 Ah/l (*)) при падінні ємності через 700 циклів менше 50%

У вересні 2011 р. вчені з Berkley Lab заявили про створення стійкого електроно-провідного гелю,
який може зробити революцію у використанні кремнієвих матеріалів. Значення цього винаходу складно переоцінити: новий гель може служити одночасно власником та провідником, запобігаючи зрощування наночастинок та втрату контакту. Дозволяє використовувати як активний матеріал дешеві промислові порошки і, за завданнями творців, можна порівняти за ціною з традиційними власниками. Електрод, виготовлений із промислових матеріалів (нано порошок Si) дає стійкі 1360 mAh/g та дуже високі 2100 Ah/l (*)

*- Оцінка реальної ємності підрахована автором (див. додаток)
M.S. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US Patent Application 20080003502.
Chemistry and Struktura of Sony's Nexelion Li-ion Electrode Materials J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read, та D. Foster Army Research Laboratory 2006.
High Capacity Li-Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires
Ball milling Graphite/Tin composite anode materials in liquide medium. Ke Wang 2007 року.
Electroless-plated tin compounds на carbonaceous mixture як anode for lithium-ion battery Journal of Power Sources 2009.
Impact of Carbone-Shell на Sn-C композиції anode для Lithium-ion Batteries. Kiano Ren та ін. Ionics 2010 року.
Novel Core-Shell Sn-Cu Anodes For Li Rech. Batteries, preparated by redox-transmetallation react. Advanced Materials. 2010
Core double-shell Si@SiO2@C nanocomposites є anode матеріалів для Li-ion batteries Liwei Su et al. ChemCom 2010 року.
Polymers with Tailored Electronic Structure for High Capacity Lithium Battery Electrodes Gao Liu et al. Adv. Матер. 2011, 23, 4679-4683
Взаємозв'язок Силикон Холодний Наносфери для Літію-Ion Battery Anodes with Long Cycle Life. Yan Yao та ін. Nano Letters 2011 року.
Porous Si anode materials for lithium rechargeable batteries, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009-4014
Electrodes for Li-Ion Batteries-A New Way to Look at Old Problem Journal of Electrochemical Society, 155 A258-A163 A2008.
ACCUMULATEURS FIXES, US Patent 8062556 2006

додаток

Окремі випадки структур електродів:

Оцінка реальної ємності наночастинок олова з мідним покриттям Cu@Sn

Зі статті відоме об'ємне співвідношення частинок 1 до 3м




0.52 – це коефіцієнт пакування порошку. Відповідно решта обсягу за власником 0.48

Наносфера. Коефіцієнт пакування.
низька об'ємна ємність наведена для наносфер обумовлена ​​тим, що сфери всередині порожнисті, а отже коефіцієнт пакування активного матеріалу дуже низький

шлях навіть він буде 0.1, для порівняння для простого порошку - 0.5...07

Аноди реакцій обміну. Оксиди металів.

До групи перспективних також ставляться Оксиди металів, такі як Fe 2 O 3 . Маючи високу теоретичну ємність, ці матеріали також вимагають рішень щодо збільшення дискретності активної речовини електрода. У цьому контексті тут отримає належну увагу така важлива наноструктура, як нановолокно.
Оксиди показує третій спосіб включати та виключати літій у структуру електрода. Якщо у графіті літій знаходиться переважно між шарами графену, в розчинах із кремнієм, він впроваджується в його кристалічну решітку, то тут скоріше відбувається ”киснеобмін” між ”основним” металом електрода та гостем – Літієм. В електроді формується масив оксиду літію, а основний метал страстится в наночастинки всередині матриці (див., наприклад, на малюнку реакцію з оксидом молібдену MoO 3 +6Li + +6e -<-->3Li 2 O+Mo)
Такий характер взаємодії передбачає необхідність легкого переміщення іонів металів у структурі електрода, тобто. високу дифузію, а це означає перехід до дрібнодисперсних частинок та наноструктур

Говорячи про різну морфологію анода, способи забезпечення електронного зв'язку крім традиційного (активний порошок, графітовий порошок + утримувач), можна виділити так само інші форми графіту, як провідного агента:
Поширеним підходом є комбінація графену та основного в-ва, коли наночастинки можуть бути розташовані безпосередньо на ”листі” графену, а він у свою чергу служитиме провідником і буфером, при розширенні робочої речовини. Дана структура була запропонована для Co 3 O 4778 mAh/g і досить довговічна Аналогічно 1100 mAh/g для Fe 2 O 3
але через дуже низьку щільність графена складно навіть оцінити наскільки застосовними є подібні рішення.
Інший спосіб – використання графітових нанотрубок A.C. Dillon та ін. експериментуючи з MoO 3 показують високу ємність 800 mAh/g (600mAh/g* 1430 Ah/l* )c 5 wt% власника втратою ємності через 50 циклів будучи покриті оксидом алюмінію а також з Fe 3 O 4 , без використання 1 mAh/g (770 -1000 Ah/l*) Мал. справа: SEM знімок нановолокон анода / Fe 2 O 3 c тонкими графітовими трубками 5 wt %(білі)
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi 2 O+xM

Декілька слів про нановолокна

Останнім часом нановолокна є однією з найгарячіших тем для публікацій матеріалознавчих видань, зокрема присвячених перспективним батареям, оскільки забезпечують більшу активну поверхню за хорошого зв'язку між частинками.
Спочатку нановолокна використовувалися як різновид наночастинок активного матеріалу, які в однорідній суміші з тримачем і агентами, що проводять, і утворюють електрод.
Питання щільності пакування нановолокон дуже складний, оскільки залежить від багатьох чинників. І, мабуть, свідомо практично не освітлений (конкретно стосовно електродів). Вже це утруднює аналіз реальних показників всього анода. Для складання оцінної думки автор ризикнув скористатися роботою R. E. Muck, присвяченої аналізу густини сіна в бункерах. Судячи з SEM знімків нановолокон, оптимістичним аналізом щільності пакування буде 30-40%
В останні 5 років більша увага прикута до синтезу нановолокон безпосередньо на струмоприймачі, що має низку серйозних переваг:
Забезпечується безпосередній контакт робочого матреріалу з струмоприймачем, покращується контакт з електроітом, знімається необхідність у графітових добавках. пройде кілька стадій виробництва, значно збільшується щільність пакування робочої речовини.
K. Chan і співавтори зазнаючи нановолокна Ge отримали 1000mAh/g (800Ah/l ) для невисокої потужності та 800 →550 (650 →450 Ah/l *) при 2С через 50 циклів. У той же час Yanguang Li і савтори показали високу ємність і величезну потужність. збільшення струму

Окремо слід відзначити та порекомендувати всім для ознайомлення надихаючі роботи A. Belcher**, які є першими сходинками у нову еру біотехнологій.
Модифікувавши вірус бактеріофаг, А. Белхеру вдалося побудувати на його основі нановолокна при кімнатній температурі, за рахунок природного біологічного процесу. Враховуючи високу структурну чіткість таких волокон, отримані електроди не тільки нешкідливі. довкілля, але й показують як ущільнення пакування волокон, так і значно довговічнішу роботу

*- Оцінка реальної ємності підрахована автором (див. додаток)
**
Angela Belcher – видатний вчений (хімік, електрохімік, мікробіолог). Винахідник синтезу нановолокон та їх упорядкування в електроди за допомогою спеціально виведених культур вірусів
(див. інтерв'ю)

додаток

Як було сказано, заряд анода відбувається через реакцію

Я не знайшов у літературі вказівок на фактичні показники розширення електрода під час заряджання, тому пропоную оцінити їх за найменшими можливими змінами. Тобто за співвідношенням молярних об'ємів реагентів та продуктів реакції (V Lihitated – обсяг зарядженого анода, V UnLihitated – обсяг розрядженого анода) Щільності металів та їх оксидів можна легко знайти у відкритих джерелах.

Форули розрахунку	Приклад розрахунку для МГО 3

Треба мати на увазі, що отримана об'ємна ємність це ємність суцільної активної речовини, тому в залежності від виду структури активна речовина займає різну частку об'єму всього матеріалу, це буде враховувати вводячи коефіцієнт пакування k p . Наприклад, для порошку він 50-70%

Highly reversible Co3O4/graphene hybrid anode for lithium rechargeable batteries. H.Kim та ін. CARBON 49(2011) 326 –332
Nanostructured Reduced Graphene Oxide/Fe2O3 Composite As a High-Performance Anode Матеріал для Lithium Ion Batteries. ACSNANO VOL. 4 ▪ NO. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
Nanostructured Metal Oxide Anodes. A. C. Dillon. 2010
New Way Of Looking At Bunker Silage Density. R. E. Muck. U S Dairy Forage Research Center Madison, Madison WI
Висока допомога Li Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 307-309
Mesoporous Co3O4 Nanowire Arrays для Lithium Ion Batteries with High Capacity and Rate Capability. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 265-270
Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06 April 2006 / Page 1 / 10.1126/science.112271
Virus-Enabled Silicon Anode для Lithium-Ion Batteries. Xilin Chen та ін. ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 5366-5372.
VIRUS SCAFFOLD FOR SELF-ASSEMBLED, FLEXIBLE AND LIGHT LITHIUM BATTERY MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Літій Іонні ХІТ. Катоди

Катоди літій іонних батарейок повинні бути здатні приймати іони літію, і забезпечувати високу напругу, а значить разом з ємністю велику енергію.

Цікава ситуація склалася в галузі розробки та виробництва катодів Li-Ion батарей. У 1979 році John Goodenough і Mizuchima Koichi запатентували катоди для Li-Ion батарей із шаруватою структурою типу LiMO2 під які потрапляють майже всі катоди, що існують, літій іонних батарей.
Ключові елементи катода
кисень, як сполучна ланка, міст, а також ”чіпляючого” літій своїми електронними хмарами.
Перехідний метал (тобто метал, що володіє валентними d-орбіталями), оскільки він може утворювати структури з різним числом зв'язків. Перші катоди використовували сірку TiS 2 але потім перейшли до кисню, більш компактному, а головне більш електронегативного елементу, що дає практично повністю іонний зв'язок з металами. Шарувата структура LiMO 2 (*) найпоширеніша, і всі розробки куртуються довкола трьох кандидатів M=Co, Ni, Mn і постійно задивляються на дуже дешевий Fe.

Кобальт, всупереч багато чому, захопив олімп відразу і посилює її досі (90% катодів), але завдяки високій стабільності та правильності шаруватої структури зі 140 mAh/g ємність LiCoO 2 зросла до 160-170mAh/g завдяки розширенню діапазону напруг. Але через рідкість для Землі, З занадто дорогий, і його застосування в чистому вигляді може бути виправдане тільки в малих батареях, наприклад, для телефонів. 90% ринку зайнято найпершим, і на сьогоднішній момент, все ще компактним катодом.
Нікельбув і залишається багатообіцяючим матеріалом, що показує високі 190mA/g, але він набагато менш стійкий і такої шаруватої структури в чистому вигляді для Ni не існує. Вилучення Li з LiNiO 2 виробляє майже в 2 рази більше тепла, ніж з LiCoO 2 , що робить його застосування в цій галузі неприйнятним.
Марганець. Ще однією добре вивченою структурою є, винайдений у 1992р. Жан-Марі Тараско, катод виду спинелі оксиду марганцю LiMn 2 O 4 : при трохи нижчій ємності, цей матеріал набагато дешевше за LiCoO 2 і LiNiO 2 і набагато надійніший. На сьогоднішній день це добрий варіант для гібридного автотранспорту. Останні розробки пов'язані з легуванням нікелю кобальтом, що значно покращує його структурні властивості. Також відзначено значне поліпшення стійкості при легуванні Ni електрохімічно неактивним Mg: LiNi 1-y Mg y O 2 . Відомо безліч сплавів LiMn x O 2x для Li-ion катодів.
Фундаментальна проблема- Як збільшити ємність. Ми вже бачили на прикладі олова і кремнію, що найочевиднішим способом збільшення ємності є подорож вгору по переодичній таблиці, але на загальний жаль, над перехідними металами, що нині використовуються, нічого немає (рис. справа). Тому весь прогрес останніх років пов'язаний з катодами загалом пов'язаний з усуненням недоліків, що вже існують: збільшенням довговічності, поліпшенням якості, вивченням їх комбінацій (рис. вище зліва)
Залізо. З самого початку літій іонної ери робилося безліч спроб задіяти залізо в катодах, але все безуспішно. Хоча LiFeO 2 був би ідеальним дешевим і потужним катодом, було показано, що Li не може бути вилучений зі структури нормального діапазону напруг . Ситуація змінилася радикально в 1997 році з дослідженням е/г властивостей Олівіна LiFePO 4 . Висока ємність (170 mAh/g) приблизно 3.4V з літієвим анодом і відсутність серйозного падіння ємності навіть через кілька сотень циклів. Головним недоліком олівін довгий час була погана провідність, що суттєво обмежувало потужність. Для виправлення ситуації були зроблені класичні ходи (подрібнення з покриттям графітом) використовуючи гель з графітом вдалося досягти високої потужності при 120mAh/g на 800 циклах. Дійсно величезного прогресу вдалося досягти мізерним легуванням Nb, збільшивши провідність на 8 порядків.
Все говорить про те, що Олівін стане наймасовішим матеріалом для електромобілів. За ексклюзивне володіння правами на LiFePO 4 вже не перший рік судяться A123 Systems Inc. і Black & Decker Corp, не безпідставно вважаючи, що за ним майбутнє електромобілів. Не дивуйтеся, але патенти оформлені на того ж капітана катодів - Джона Гуденафа.
Олівін довів можливість використання дешевих матеріалів і пробив своєрідну платину. Інженерна думка відразу ж кинулась у простір, що утворився. Приміром, зараз активно обговорюються заміна сульфатів флюрофосфатами, що дозволить збільшити вольтаж на 0,8 V тобто. Збільшити енергію та потужність на 22%.
Смішно: поки йде суперечка про права на використання олівіну, я натрапив на безліч noname виробників, що пропонують елементи на новому катоді,

* Всі дані з'єднання стійко існують тільки разом з Літієм. І відповідно виготовляються вже насичені ним. Тому при покупці батарей на їхній основі необхідно спочатку зарядити акумулятор, перегнавши частину літію на анод.
** Розбираючись у розвитку катодів літій-іонних батарей, мимоволі починаєш сприймати його як дуель двох гігантів: Джона Гуденафа та Жана-Марі Тараска. Якщо Гуденаф запатентував свій перший принципово успішний катод 1980 (LiCoO 2) року, то ін. Траско відповів дванадцятьма роками пізніше (Mn 2 Про 4). Друге принципове досягнення американця відбулося в 1997 році (LiFePO 4 ), а в середині минулого десятиліття француз займається розширенням ідеї, впроваджуючи LiFeSO 4 F і займається роботами з використання повністю органічних електродів
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K. U.S. Patent 4,302,518, 1980.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K. U.S. Patent 4,357,215, 1981.
Lithium-Ion Batteries Science and Technologies. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
Метод для побудови LiMn2 O4 intercalation складів і використання теми в літієві batteries. Barboux; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean-Marie. Bell Communications Research, Inc. 1992 US Patent 5,135,732.

Rechargeable electrochemical cell with cathode of stoichiometric titanium disulfide Whittingham; M. Stanley. US Patent 4,084,046 1976
Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Lithium Batteries and Cathode Materials. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
A 3.6 V літіум-базується fluorosulphate внесення позитивного electrode для lithium-ion batteries. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 та J-M. Tarascon. NATURE MATERIAL November 2009

додаток

Ємність катодів визначається знову ж таки, як максимальний вилучений заряд на вагу речовини, наприклад групи
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

Наприклад для Co

при ступені вилучення Li x=0.5 ємність речовини буде

на Наразіпокращення в техпроцесі дозволили збільшити ступінь вилучення та досягти 160mAh/g
Але, безумовно, більшість порошків на ринку не досягають цих показників.

Органічна епоха.
На початку огляду одним із головних спонукаючих факторів у переході до електромобілів ми назвали зниження забруднення навколишнього середовища. Але візьмемо, наприклад, сучасний гібридний автомобіль: він, безумовно, спалює менше паливаале при виробництві акумулятора до нього на 1 kWh спалюється приблизно на 387 kWh вуглеводнів. Звичайно, такий автомобіль викидає менше забруднюючих речовин, але від парникового газу при виробництві все одно нікуди не подітись (70-100 kg CO 2 на 1 kWh). До того ж у суспільстві споживання товари не використовуються до вичерпання їх ресурсу. Тобто термін на те, щоб ”відбити” цей енергетичний кредит невеликий, а утилізація сучасних батарей заняття дороге і не скрізь доступне. Тим самим, енергетична ефективність сучасних акумуляторіввсе ще під питанням.
Останнім часом з'явилося кілька біотехнологій, що обнадіюють, що дозволяють синтезувати електроди при кімнатній температурі. А. Белчер (віруси), Ж.М. Тараско (використання бактерій).

Відмінним прикладом такого перспективного біоматеріалу є літизований оксокарбон – Li 2 C 6 O 6 (Радизонат Літію), який, володіючи здатністю оборотно розміщувати в собі до чотирьох Li на формулу, показав велику гравіметричну ємність але оскільки відновлення пов'язане з пі-зв'язками, дещо меншими за -тенціалом (2.4 V). Аналогічно розглядають, як основу для позитивного електрода, інші ароматичні кільця, так само рапортуючи про суттєве полегшення батарей.
Головним ”недоліком” будь-яких органічних сполукє їх мала щільність, оскільки вся органічна хімія займається легкими елементами, H, O і N. Щоб зрозуміти, наскільки перспективним є цей напрямок, достатньо сказати, що ці речовини можуть бути отримані з яблук і кукурудзи, а також легко утилізуються та переробляються.
Радізонат літію вже вважався б найперспективнішим катодом для автопрому, якби не обмежена щільність струму (потужність) і найперспективнішим для портативної електроніки, якби не низька щільність матеріалу (низька об. ємність) (мал. зліва). А поки що це тільки один з найперспективніших фронтів робіт.

мобільні пристрої

Додати теги

"Квантова" батарея

З 26 по 28 лютого в Токіо відбувається виставка накопичувачів, на якій серед інших представлена ​​компанія Micronics Japan Co. Ltd. Про її попередні розробки мало що відомо, але зовсім недавно вона заявила про те, що розробила і підготувала до виробництва шарувату батарею нового типу. Одиночна комірка, яку демонструє компанія, є плівкою з метал-оксид-напівпровідникової структури n-типу, в якій використовуються частинки діоксиду титану, діоксиду олова і оксиду цинку, вкриті ізолюючою плівкою. У дослідному зразку використовується лист нержавіючої сталізавтовшки 10 мкм, але незабаром його замінять на алюмінієвий.

Квантові розробники назвали свою батарею, щоб підкреслити її фізичну, а не хімічну природу. Незважаючи на те, що для зберігання енергії замість іонів у ній використовуються електрони, за принципом дії ця батарея відрізняється від конденсаторів. Стверджується, що система заснована на зберіганні електронів у забороненій зоні напівпровідника.

При виробництві структур «метал – оксид – напівпровідник» зарядовий шар накопичувача опромінюють ультрафіолетом. Після виготовлення, при зарядці, електрони займають вільні енергійні рівні в робочому матеріалі і зберігаються там, поки батарею не потрібно розрядити. У результаті виходять батареї, що перезаряджаються, з дуже високою щільністю зберігання енергії.
Які показники мають тестові зразки невідомо, але розробник заявляє, що серійні зразки, які з'являться незабаром, матимуть ємність до 500 Вт ч/л і при цьому зможуть видавати до 8 000 Вт пікової потужності на літр об'єму.
Такі накопичувачі об'єднують найкращі рисиакумуляторів та суперконденсаторів. Навіть за малої ємності вони зможуть видавати більшу пікову потужність. Напруга, що знімається з таких накопичувачів, не зменшується в міру їхньої розрядки, а до кінця залишається стабільною.
Заявлений діапазон температур від -25 до +85 °C. Батарея може бути схильна до 100 тис. циклів зарядки-розрядки до падіння ємності нижче 90% від початкової. Здатність швидко забирати та віддавати енергію сильно зменшить час заряджання. Крім того, такі батареї є пожежобезпечними. Рідкісні чи дорогі матеріали у її виробництві не використовуються. Загалом плюсів стільки, що навіть не віриться.

Батарея, що самозаряджається

Група дослідників на чолі з Чжунлінь Ваном (Zhong Lin Wang) з Технологічного інституту Джорджії (США) створила батарею, що самозаряджається, не вимагає для відновлення заряду підключення до розетки.
Пристрій заряджається від механічного впливу, а точніше – від натискання. Його планується застосовувати у смартфонах та інших пристроях сенсорних пристроях.
Розробники розмістили свій пристрій під клавішами калькулятора та змогли забезпечити його працездатність протягом доби за рахунок енергії від натискання кнопок.

Батарея є «прирогом» з полівініліденфторидної і цирконат-титанатосвинцовой плівок завтовшки кілька сотень мікрометрів. При натисканні на неї іони літію мігрують від катода до анода через п'єзоелектричний ефект. Щоб підвищити ефективність прототипу, дослідники додали в його п'єзоелектричний матеріал наночастки, що підсилюють відповідний ефект, і досягли серйозного збільшення ємності та швидкості підзарядки пристрою.
Потрібно розуміти, що батарея непрозора, тому може поміщатися лише під кнопками або під екраном.
Батарея немає таких видатних показників, як раніше описаний пристрій (зараз ємність батареї розміром зі стандартну «таблетку» для матплат зросла з початкових 0,004 до 0,010 мА год), але розробника обіцяють ще працювати над її ефективністю. До промислових зразків ще далеко, хоча гнучкі екрани – основні пристрої, в яких розробника планують розмістити свою батарею – поки що слабо поширені. Ще є час доопрацювати свій винахід та впровадити у виробництво.

Батарея на основі цукру

Складається враження, що розробкою батарей займаються лише азіати. Прототип чергової незвичайної батареї створили в американському політехнічному університеті Вірджинії.

Ця батарея, по суті, працює на цукрі, точніше на мальтодекстрині - полісахариді, отриманому в результаті гідролізу крохмалю. Каталізатором такої батареї є ензим. Він набагато дешевше за платину, яка зараз застосовується у звичайних батареях. Така батарея відноситься до типу ензимних паливних елементів. Електрика тут виробляється шляхом реакції кисню, повітря та води. На відміну від водневих паливних елементів, ензими негорючі та невибухонебезпечні. А після того, як батарея вичерпає свій ресурс, за словами розробників, її можна буде знову заправити цукром.
Про технічні характеристики даного типуакумуляторів поки що відомо мало. Стверджується лише, що щільність енергії у них у кілька разів вища, ніж у звичайних літій-іонних батареях. Вартість таких батарей істотно нижча за звичайні, тому розробники сповнені впевненості знайти їм комерційне застосування в найближчі 3 роки. Зачекаємо обіцяного.

Батарея зі структурою гранату

А ось вчені з американської Національної прискорювальної лабораторії SLAC при Стенфордському університеті вирішили збільшити обсяг звичайних батарей, скориставшись структурою гранату.

Розробники максимально зменшили розмір анодів і помістили кожен із них у вуглецеву оболонку. Це дозволяє запобігти їх руйнуванню. У процесі зарядки частки розширюються і об'єднуються в кластери, які так само поміщаються в вуглецеву оболонку. Внаслідок таких маніпуляцій, ємність цих акумуляторів у 10 разів перевищує ємність звичайних літій-іонних батарей.
З дослідів випливає, що після 1000 циклів заряду/розряду батарея зберігає 97% початкової ємності.
Але про комерційне застосування цієї технології говорити поки зарано. Надто вже дорогі у виробництві кремнієві наночастинки і надто складний сам процес створення таких батарей.

Атомні батареї

І насамкінець розповім про розробку британських вчених. Вони вирішили переплюнути своїх колег, створивши мініатюрний ядерний реактор. Прототип атомного акумулятора, створений дослідниками Сюрреєвого університету на основі тритію, виробляє достатньо енергії для роботи мобільного телефону протягом 20 років. Щоправда, підзарядити його потім уже не вийде.

У батареї, що є інтегральною мікросхемою, відбувається ядерна реакція, в результаті якої виробляється 0,8 - 2,4 ват енергії. Робоча температурабатареї становить від -50 до +150. При цьому їй не страшні різкі перепадитемператури та тиску.
Розробники стверджують, що з людини тритій, що міститься у батареї небезпечний, т.к. його зміст там дуже мало. Однак, про масовому виробництвітаких джерел харчування поки що рано говорити - вченим належить провести ще масу досліджень та випробувань.

Висновок

Звичайно, далеко не всі з вищеописаних технологій знайдуть своє застосування, проте, треба розуміти, що в найближчі кілька років має статися прорив у технології виробництва акумуляторних батарей, що спричинить сплеск розповсюдження електромобілів та виробництва смартфонів та інших електронних пристроївнового типу.

Уявіть собі мобільний телефон, Що тримає заряд більше тижня, а потім заряджається за 15 хвилин. Фантастика? Але вона може стати реальністю завдяки новому дослідженню вчених Північно-Західного університету (Еванстон, штат Іллінойс, США). Команда інженерів розробила електрод для літієво-іонних батарей (які сьогодні використовуються в більшості стільникових телефонів), що дозволив збільшити їх енергетичну ємність в 10 разів. Цим приємні сюрпризине обмежуються - нові акумуляторні пристроївміють заряджатися в 10 разів швидше за нинішні.

Для подолання обмежень, що накладаються існуючими технологіямина енергетичну ємність та швидкість заряду батареї, вчені застосували два різні хіміко-технологічні підходи. Отриманий в результаті акумулятор дозволить не лише продовжити час роботи дрібних електронних пристроїв (на зразок телефонів та лептопів), але й підготувати ґрунт для розробки більш ефективних та компактних батарей для електромобілів.

"Ми знайшли спосіб продовжити час утримання заряду новою літієво-іонною батареєю в 10 разів", - повідомив професор Гарольд Х. Кунг (Harold H. Kung), один з провідних авторів дослідження. - «Навіть після 150 сеансів зарядки/розрядки, що означає не менше року роботи, вона залишається вп'ятеро ефективнішою, ніж літієво-іонні баратеї, присутні сьогодні на ринку».

Робота літієво-іонної батареї заснована на хімічній реакції, в якій іони літію рухаються між анодом та катодом, розміщеними на протилежних кінцях батареї. У процесі експлуатації акумулятора іони літію мігрують від анода через електроліт до катода. При зарядці їх напрям змінюється прямо протилежним. Акумулятори, що існують на даний момент, мають два важливі обмеження. Їхня енергетична ємність - тобто час утримання заряду батареєю - обмежена щільністю заряду, або тим, скільки іонів літію може розміститися на аноді або катоді. У той же час швидкість заряджання такого акумулятора обмежена швидкістю, з якою іони літію здатні рухатися через електроліт до анода.

У нинішніх батареях, що перезаряджаються, в аноді, створеному з безлічі графенових листів, на кожні шість атомів вуглецю (з яких складається графен) може припадати лише один атом літію. У спробі збільшити енергетичну ємність акумуляторів вчені вже експериментували із заміною вуглецю на кремній, здатний вмістити куди більше літію: по чотири атоми літію на кожен атом кремнію. Проте кремній у процесі зарядки різко розширюється і стискається, чим викликає фрагментацію речовини анода і, як наслідок, швидку втрату зарядної ємності батареї.

В даний час мала швидкістьзарядки батареї пояснюється формою графенових листів: порівняно з товщиною (що становить лише один атом) їх довжина виявляється непомірно великою. Під час заряджання іон літію повинен подолати відстань до зовнішніх країв графенових листів, а потім пройти між ними і зупинитися десь усередині. Так як для досягнення середини графенового листа літію потрібен чималий час, у його країв спостерігається щось на зразок іонного затору.

Як уже говорилося, дослідницька група Кунга вирішила обидві ці проблеми, взявши на озброєння дві різні технології. По-перше, для забезпечення стійкості кремнію та, відповідно, підтримки максимальної зарядної ємності батареї, вони розмістили кластери кремнію між графеновими листами. Це дозволило збільшити кількість іонів літію в електроді одночасно використовуючи гнучкість графенових листів для врахування змін об'єму кремнію в процесі зарядки/розрядки батареї.

"Тепер ми одним пострілом вбиваємо обох зайців", - говорить Кунг. - «Завдяки кремнію ми отримуємо більш високу густину енергії, а чергування шарів зменшує втрату потужності, викликану розширенням зі скороченням кремнію. Навіть при руйнуванні кластерів кремнію сам кремній більше нікуди не подінеться».

Крім того, дослідники використовували процес хімічного окислення для створення мініатюрних (10-20 нанометрів) отворів у графенових листах ("in-plane defects"), що забезпечують іонам літію "швидкий доступ" всередину анода з подальшим зберіганням в ньому в результаті реакції з кремнієм. Це зменшило час, необхідний для заряджання батареї, у 10 разів.

Поки що всі зусилля щодо оптимізації роботи батарей були спрямовані на одну з складових - анод. На наступному етапі досліджень вчені з тією ж метою планують вивчити зміни у катоді. Крім того, вони хочуть допрацювати електролітну систему таким чином, щоб батарея могла автоматично (і оборотно) вимикатися при високих температурах - подібний захисний механізм міг би стати в нагоді при використанні батарей в електромобілях.

За словами розробників, у поточному вигляді нова технологіямає вийти на ринок протягом найближчих трьох-п'яти років. Стаття, присвячена результатам дослідження та розробки нових акумуляторних батарей, була опублікована в журналі Advanced Energy Materials.

Читаємо питання trudnopisaka :

Цікаво було б дізнатися про нові технології акумуляторів, які готують до серійного виробництва."

Ну звичайно ж критерій серійного виробництва дещо розтяжний, але спробуємо дізнатися, що зараз перспективно.

Ось що вигадали хіміки:

Напруга осередку у вольтах (по вертикалі) та питома ємність катода (мАч/г) нової батареївідразу після виготовлення (I), першого розряду (II) і першого заряду (III) (ілюстрація Hee Soo Kim et al./Nature Communications).

За своїм енергетичним потенціалом батареї, засновані на поєднанні магнію та сірки, здатні обійти літієві. Але досі ніхто не міг змусити ці дві речовини дружно працювати в акумуляторному осередку. Тепер, з деякими застереженнями, це вдалося групі фахівців США.

Вчені з Тойотовського дослідницького інститутув Північної Америки(TRI-NA) спробували вирішити головну проблему, що стоїть на шляху створення магнієво-сірчаних батарей (Mg/S).

Підготовлено за матеріалами Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії.

Німці винайшли фторид-іонну акумуляторну батарею

На додаток до цілої армії електрохімічних джерел струму, вчені розробили ще один варіант. Його заявлені переваги — менша пожежна небезпека та вдесятеро більша питома ємність, ніж у літієво-іонних батарей.

Хіміки з технологічного інституту Карлсруе (KIT) запропонували концепцію акумуляторів на основі фторидів металів і навіть зазнали кількох невеликих лабораторних зразків.

У таких акумуляторах за перенесення зарядів між електродами відповідають аніони фтору. Анод та катод акумулятора містять метали, які в залежності від напрямку струму (заряд чи розряд) по черзі перетворюються на фториди або відновлюються назад до металів.

"Оскільки один атом металу здатний прийняти або віддати відразу кілька електронів, ця концепція дозволяє досягти надзвичайно високої щільності енергії - до десяти разів вище, ніж у звичайних літієво-іонних батарей", - говорить один із авторів розробки доктор Максиміліан Фіхтнер (Maximilian Fichtner).

Для перевірки ідеї німецькі дослідники створили кілька зразків таких батарей діаметром 7 міліметрів та товщиною 1 мм. Автори вивчили кілька матеріалів для електродів (мідь та вісмут у поєднанні з вуглецем, наприклад), а електроліт створили на основі лантану та барію.

Однак такий твердий електроліт – це лише проміжний крок. Даний склад, що проводить іони фтору, добре працює тільки при високій температурі. Тому хіміки шукають йому заміну – рідкий електроліт, який діяв би за кімнатної температури.

(Подробиці можна знайти в прес-релізі інституту та статті у Journal of Materials Chemistry.)

Акумулятори майбутнього

Що чекає ринок акумуляторів у майбутньому, поки що складно прогнозувати. Літієві батареї поки впевнено правлять балом, і вони мають непоганий потенціал, завдяки літій-полімерним розробкам. Впровадження срібно-цинкових елементів - дуже тривалий і дорогий процес, і його доцільність є дискусійним питанням. Технології на основі паливних елементів і нанотрубок вже багато років вихваляються і описуються найкрасивішими словами, проте коли справа доходить до практики, фактичні продукти виходять або надто громіздкими, або надто дорогими, або те й інше разом узяте. Ясно лише одне - найближчими роками ця галузь продовжуватиме активно розвиватися, адже популярність портативних пристроїв зростає не щодня, а щогодини.

Паралельно з ноутбуками, орієнтованими на автономну роботу, Розвивається напрямок настільних ноутів, в яких батарея швидше відіграє роль резервного ДБЖ. Нещодавно в Samsung випустили подібний ноутбук і без батареї.

У NiCd-Акумулятор також існує можливість електролізу. Щоб не накопичувався вибухонебезпечний водень, батареї оснащують мікроскопічними клапанами.

У знаменитому інституті MITнещодавно була розроблена унікальна технологіявиробництва літієвих акумуляторівзусиллями спеціально навчених вірусів.

Незважаючи на те що паливний елементзовні зовсім не схожий на традиційну батарею, працює він за тими самими принципами.

А хто ще підкаже якісь перспективні напрямки?

Понад 200 років тому німецьким фізиком Вільгельмом Ріттером було створено перший у світі акумулятор. Порівняно з батареєю А. Вольти, що вже існувала, накопичувальний пристрій Вільгельма можна було багаторазово заряджати‒розряджати. Протягом двох століть акумулятор електрики сильно змінився, але, на відміну від «колеса», його продовжують винаходити і до цього дня. Сьогодні нові технології у виробництві акумуляторів продиктовані появою нових пристроїв, які потребують автономного харчування. Нові та потужніші гаджети, електромобілі, дроти, що літають – всі ці пристрої вимагають невеликих за розмірами, легких, але більш ємних і довговічних акумуляторних батарей.

Принциповий пристрій акумулятора можна описати двома словами – це електроди та електроліт. Саме від матеріалу електродів та складу електроліту залежать характеристики акумулятора та визначається його тип. В даний час існує більше 33 типів джерел живлення, що переряджаються, але найбільш застосовувані з них:

• свинцево-кислотні;
• нікель-кадмієві;
• нікель-метал-гідридні;
• літій-іонні;
• літій-полімерні;
• нікель-цинкові.

Робота будь-якого з них полягає в оборотній хімічній реакції, тобто реакція, що відбувається при розрядці, відновлюється при зарядці.

Область застосування акумуляторів досить широка і в залежності від виду пристрою, який від нього працює, до батареї живлення висуваються певні вимоги. Наприклад, для гаджетів він має бути легким, мінімально габаритним і мати достатньо велику ємність. Для електроінструменту або дроту, що літає, важливий струм віддачі, так як споживання електричного струмудосить висока. При цьому є вимоги до всіх елементів живлення – це висока ємність і ресурс циклів зарядки.

Над цим питанням працюють вчені у всьому світі, проводиться маса досліджень та випробувань. На жаль, багато зразків, що показали чудові електричні та експлуатаційні результати, виявилися занадто дорогими за вартістю і не були запущені в серійне виробництво. З технічного боку, найкращими матеріаламидля створення акумуляторів стають срібло та золото, а з економічною – ціна такого виробу буде недоступною для споживача. При цьому пошук нових рішень не припиняється, і першим значним проривом став літій-іонний акумулятор.

Вперше він був представлений у 1991 році японською компанією Sony. Батарея характеризувалася високою щільністю та низьким саморозрядом. При цьому вона мала недоліки.

Перше покоління таких джерел живлення було вибухонебезпечним. Згодом експлуатації на аноді накопичувалися дендриди, які призводили до замикання та займання. У процесі вдосконалення у наступному поколінні застосували графітний анод, і цей недолік був усунений.

Другим мінусом став ефект пам'яті. При постійному неповному зарядженні акумуляторна батарея втрачала ємність. Робота над усуненням цього недоліку було доповнено новою тенденцієюпрагнення мініатюризації. Бажання створювати ультратонкі смартфони, ультрабуки та інші пристрої вимагало від науки розробок нового джерела живлення. До того ж вже застаріла іонно-літієва батарея не задовольняла запити моделістів, яким потрібне було нове джерело електрики з значно більшою щільністю та високим струмом віддачі.

В результаті в літій-іонній моделі був застосований полімерний електроліт, а ефект перевершив усі очікування.

Удосконалена модель не лише була позбавлена ​​ефекту пам'яті, а й у рази перевершувала свого попередника за всіма параметрами. Вперше вдалося створити батарею товщиною всього 1 мм. При цьому її формат міг бути найрізноманітнішим. Такі елементи живлення стали користуватися великим попитом одразу і у моделей, і у виробників мобільних телефонів.

Але недоліки все ж таки були. Елемент виявився пожежонебезпечним, при перезарядці нагрівався і міг спалахнути. Сучасні полімерні батареї оснащуються вбудованою схемою, що запобігає перезаряду. Рекомендується також заряджати їх лише спеціальними зарядними пристроями, що йдуть у комплекті або аналогічними моделями.

Не менше важлива характеристикаелемента живлення – собівартість. На сьогодні це сама велика проблемапо дорозі розвитку акумуляторів.

Живлення електромобіля

Компанія Тесла Моторс створює акумулятори за новими технологіями на основі комплектуючих торгової маркиПанасонік. Остаточно секрет не розкривається, а ось результат випробувань тішить. Екомобіль Tesla Model S, оснащений акумулятором всього 85 кВт * год, на одному заряді проїхав трохи більше 400 км. Звичайно, світ не без допитливих, тому одну з таких батарей, вартістю 45 000 USD, все ж таки розкрили.

Усередині виявилося безліч літій-іонних осередків Панасонік. При цьому розтин не дав усіх відповідей, які хотілося б отримати.

Технології майбутнього

Незважаючи на довготривалий періодзастою, наука перебуває межі великого прориву. Цілком можливо вже завтра мобільний телефон працюватиме місяць без підзарядки, а електромобіль долатиме по 800 км на одному заряді.

Нанотехнології

Вчені Південно-Каліфорнійського університету стверджують, що заміна графітових анодів на кремнієві дроти діаметром 100 нм збільшить ємність батареї в 3 рази, а час заряджання скоротить до 10 хвилин.

У Стенфордському університеті запропонували принципово новий виданодів. Пористі вуглецеві нанопроводи покриті сіркою. За твердженням таке джерело живлення акумулює в 4-5 разів більше електроенергії, ніж Li-ion батарея.

Вчений із США Девід Кізайлус заявив, що акумуляторні батареїна основі кристалів магнетиту будуть не тільки більш ємними, а й порівняно дешевими. Адже видобувати ці кристали можна із зубів панцирного молюска.

Вчені Вашингтонського університету дивляться на речі більш практично. Вони вже запатентували нові технології акумуляторів, у яких замість графітного електрода застосований анод з олова. Решта не зміниться і нові батареї зможуть легко замінити старі в наших звичних гаджетах.

Революція вже сьогодні

Знову електромобілі. Поки що вони ще поступаються автомобілям за потужністю та пробігом, але це ненадовго. Так стверджують представники корпорації IBM, які запропонували концепцію літій-повітряних акумуляторів. Більше того, нове джерело живлення, що перевершує за всіма параметрами, обіцяно представити споживачеві вже цього року.