[ad_1]
Литий-ионные аккумуляторы подпитывают наш век портативной электроники, но они все чаще становятся жертвами собственного успеха. Добыча лития обходится дорого, а с металлом опасно обращаться, что затрудняет его переработку и переработку.
Спрос также превышает имеющиеся запасы, чья географическая изоляция в таких местах, как австралийская глубинка, может затруднить цепочки поставок.
Данные ЕС показывают, что к 2050 году Европе потребуется в 60 раз больше лития, чтобы удовлетворить спрос на аккумуляторы для электромобилей и накопители возобновляемой энергии, которые станут основой для достижения целей по выбросам, изложенных в Европейском зеленом соглашении.
Это побудило таких исследователей, как доктор М. Роза Паласин, попытаться создать столь же эффективные батареи из более распространенных элементов, найденных прямо в Европе. Находясь в ICMAB-CSIC недалеко от Барселоны, она и ее команда со всего ЕС стремятся создать прототип батареи, в которой вместо лития используется периодический соседний кальций. Усилия финансируются за счет гранта Европейского инновационного совета Open Pathfinder и получили название проекта CARBAT.
Кальций встречается во всем, от костей до мела, примерно в 2000 раз чаще, чем литий.
«Кальций — один из самых распространенных элементов в земной коре, — сказал доктор Паласин. «Он не так сконцентрирован географически, как литий. Это может сделать батарею дешевой, потому что сырье дешевое».
Добавка кальция
Все аккумуляторы имеют одинаковую структуру. Положительные ионы текут от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду, в то время как отрицательный электрический ток течет вне батареи и может использоваться для питания устройств.
Но использование кальция в качестве отрицательного электрода дает преимущества, которых нет у литий-ионных аккумуляторов, использующих графит, — большую плотность энергии или количество энергии, которое может быть сохранено на килограмм.
«С этой конфигурацией мы теоретически предполагали, что сможем достичь очень высокой плотности энергии, и это связано с тем, что мы будем использовать металл в качестве одного из электродов», — пояснил доктор Паласин.
Литий-ионные батареи не могут достичь такой высокой плотности энергии, поскольку они не могут использовать высокореактивный металлический литий в качестве электрода в батарее. Он имеет тенденцию образовывать дендриты, крошечные жесткие древовидные структуры, которые могут расти внутри литиевой батареи и вызывать короткие замыкания или даже взрыв батареи во многих случаях использования.
Использование металлического кальция в батарее позволило исследователям воспользоваться его элементарными свойствами, так как два электрона во внешней оболочке могут быть потеряны.
«Поскольку любой кальций проходит через электролит, два электрона выходят наружу (вместо одного с литием)», — сказала она. «Можно представить, что для того же размера батареи запас хода будет выше, если вы используете ее в электромобиле, при условии, что будет найден подходящий положительный электрод».
Как найти правильную соль
Тем не менее, это же свойство сделало выбор других компонентов для создания прототипа батареи, таких как электролит, через который проходят ионы, более сложным.
«В электролите происходит много взаимодействий между ионами Ca2+ и молекулами растворителя, и это препятствует подвижности кальция», — сказал доктор Паласин.
Очень хорошая проводимость электролита означает, что ионы могут двигаться быстрее, и аккумулятор будет иметь более высокую мощность.
Чтобы решить эту проблему, исследователи смоделировали различные соли и растворители, чтобы найти электролит, который создал бы пассивирующий слой на кальциевом электроде, облегчающий перенос ионов.
«В конце концов оказывается, что все электролитные соли, которые работают, содержат бор», — сказала она. «Мы использовали тетрафторборат кальция, растворенный в смеси этилена и пропиленкарбоната».
Следующими шагами для коммерциализации прототипа будут усовершенствование методов, используемых для изготовления электродов с использованием кальция, и разработка подходящих положительных электродов.
«Все инженерные работы по сборке клеток были очень сложными, поскольку необходимо было разработать новые протоколы», — сказал доктор Паласин.
Другие обильные элементы
Доктор Хуан Ластра из Технического университета Дании участвовал в еще одной попытке создать батареи из более распространенных элементов. Исследователь проекта SALBAGE, он был частью команды, которая работала над созданием батареи из алюминиевого анода и серного катода.
Хотя алюминий даже более распространен, чем кальций, его использование в батарее создало аналогичные проблемы.
«Все эти многовалентные ионы (Ca2+, Al3+) очень реакционноспособны… и эти ионы трудно перемещать сами по себе», — сказал он.
В алюминиево-серных батареях алюминий всегда находится в форме алюминия и некоторого количества ионов хлорида, AlCl4-.
«У вас есть процесс преобразования, при котором этот алюминий постепенно отделяется от кластера AlCl4, чтобы реагировать с серой на стороне катода», — сказал доктор Ластра. «Это больше похоже на свинцово-кислотный аккумулятор в вашем автомобиле, чем на литий-ионный аккумулятор в вашем телефоне».
Гибкие батареи, созданные компьютером
Чтобы улучшить перенос этих ионов, команда сосредоточилась на создании нового типа электролита, известного как глубокий эвтектический растворитель.
«Эвтектический растворитель — это когда два твердых тела соединяются вместе, и они превращаются в жидкость, — объясняет доктор Ластра. «Например, когда вы смешиваете соль и лед, и они образуют жидкость (рассол) даже при температуре ниже нуля».
Используя суперкомпьютер, они смоделировали, как соединить соль хлорида алюминия с мочевиной, которая обычно содержится в моче, чтобы найти наилучшее соотношение смешивания для жидкого электролита.
«Мы моделируем не более 300 атомов… и время моделирования составляет не более одной наносекунды», — сказал доктор Ластра. «Но для моделирования одной наносекунды этой жидкости требуется полгода».
Это занимает так много времени, потому что исследователи должны учитывать один миллион шагов в наносекунду, чтобы правильно смоделировать все возможные реакции.
Вооружившись правильным соотношением электролита, исследователи проекта в Испании обнаружили, что они могут превратить электролит в гель, добавив в раствор полимеры.
«Наличие геля очень выгодно с точки зрения безопасности и с точки зрения форм-фактора», — сказал доктор Ластра. «Если у вас есть гель, то ваша батарея будет гибкой, и вы сможете согнуть ее».
Использование геля вместо жидкости также повышает безопасность, поскольку батарея не может легко протечь. Это связано с тем, что все материалы безопасны и недороги.
«Все это основано на дешевых материалах. Алюминий, сера, сам электролит и мочевина очень и очень дешевые. Даже полимер дешевый», — сказал доктор Ластра.
Безопасность компонентов может стать ключевым фактором в обеспечении безопасности батареи в будущем. Одним из основных недостатков литий-ионных аккумуляторов является то, что они содержат токсичные и редкие элементы, что затрудняет их интеграцию в экономику замкнутого цикла.
Алюминиево-серные батареи обещают получение компонентов из Европы и повышение энергетической безопасности для промышленности. Будущие усовершенствования могут даже помочь увеличить наше потребление возобновляемой энергии за счет накопления энергии, когда они не производят ее активно.
«Для стационарных приложений, таких как хранение энергии ветряной электростанции или солнечной энергии, этот тип технологии может быть конкурентоспособным», — сказал доктор Ластра.
Исследование в этой статье финансировалось ЕС. Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею в социальных сетях.
[ad_2]
Source