Наностержни повысили безопасность литий-ионных батарей

Китайские химики обнаружили, что добавление в полимерный электролит литий-ионного аккумулятора вытянутых наночастиц бората магния резко увеличивает его устойчивость к открытому огню. Кроме этого, подобная добавка значительно улучшает механические свойства электролита и даже увеличивает его ионную проводимость, пишут ученые в Nano Letters.

Один из главных недостатков литий-ионных батарей — возможность их возгорания или даже взрыва в результате перегрева или механического воздействия. Основная причина этого — дендритные литиевые структуры, которые растут на поверхности анода и могут приводить к короткому замыканию внутри батареи, и легковоспламеняющийся электролит. Чтобы сделать аккумуляторы безопаснее, ученые пытаются модифицировать структуру и состав электродов или электролита, встраивают средства автоматического отключения батареи при перегреве, либо борются с последствиями возгорания.

Химики из Чжэцзянского технологического университета под руководством Синьюна Тао (Xinyong Tao) пошли по первому пути и предложили модифицировать твердотельный полимерный электролит. Для этого материал электролита ученые объединили с твердым и огнестойким неорганическим компонентом. В качестве органической составляющей электролита ученые выбрали смесь полиэтиленгликоля с бис-(трифторметансульфонил)имидом лития (LiTFSI), а в качестве неорганической — наностержни бората магния (Mg2B2O5). Отличительная черта этих наностержней — их механические свойства: твердость наночастиц составляет 15,4 гигапаскаля, а модуль упругости — 125,8 гигапаскаля. Эти наностержни можно использовать как структурный компонент композитных материалов, придающий им прочность.

Благодаря использованию наностержней удалось не только резко улучшить механические свойства электролита, но и повысить его устойчивость к огню. Так, если чистый полимерный электролит загорается, при этом плавясь и теряя свои свойства, то после добавления даже 10 массовых процентов бората магния материал перестает загораться и плавиться, лишь слегка обугливаясь, но при этом сохраняя свои свойства. А при добавлении 20 массовых процентов бората магния на открытом огне газовой горелки с материалом не происходит практически никаких изменений.

Кроме повышения прочности и твердости полимерного электролита, а также его устойчивости к открытому огню, добавление наностержней бората магния привело и к повышению его проводимости по ионам лития. Ученые отмечают, что причиной этого повышения стало взаимодействие между боратом магния и серосодержащими группами LiTFSI, которое привело к увеличению подвижности ионов. При всех исследованных температурах (от комнатной до 50 градусов Цельсия) при увеличении концентрации бората магния проводимость электролита росла и, например, при 20 массовых процентах бората магния и температуре 50 градусов Цельсия составила 370 микросименсов на сантиметр.

По словам ученых, такой ионной проводимости, а также других электрохимических характеристик электролита (например, циклической емкости, которая в зависимости от температуры составляет от 50 до 150 миллиампер-часов на грамм) вполне достаточно, чтобы использовать этот материал в качестве эффективного твердотельного электролита в современных литий-ионных аккумуляторах.

Химики отмечают, что совокупность свойств предложенного ими электролита — механическая прочность, устойчивость к огню и электрохимические свойства — делает этот материал крайне перспективным для использования в современных литий-ионных аккумуляторах с полимерными электролитами. Кроме того, ученые считают, что борат магния — лишь первый материал с подобными свойствами, вслед за которым появятся и другие одномерные наноматериалы, которые смогут улучшить работу литий-ионных батарей.

Еще одна проблема большинства литий-ионных аккумуляторов — резкое уменьшение емкости при падении температуры ниже нуля. У большинства самых морозостойких батарей при температурах ниже −30 градусов Цельсия емкость при падает примерно до 10 процентов. Лишь совсем недавно китайским ученым удалось найти такой материал электролита для литий-ионных аккумуляторов, который позволяет батареям работать при отрицательных температурах вплоть до −70 градусов Цельсия, сохраняя при этом емкость в 70 процентов от емкости при комнатной температуре.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Метод Монте-Карло подсказал пути оптимизации производства экологичного водорода

Австралийские ученые выяснили, от чего зависит цена водородного топлива, получаемого с помощью солнечных батарей. Они выделили основные факторы, влияющие на цену такого водорода в разных климатических районах, и предложили, как можно сделать его дешевле. Прогноз получился оптимистичным: вполне вероятно, что уже к 2030 году солнечный водород сравняется в цене с водородом, который получают традиционным способом из метана. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science. Водород — практически идеальное топливо: он легкий, его удобно хранить и перевозить, а при сгорании выделяется безвредный водяной пар. Одна из перспективных областей современной энергетики — получение водорода с помощью солнечных батарей. В таких устройствах энергия солнечного излучения превращается в электроэнергию, которая сразу же тратится на выделения водорода из воды с помощью электролиза. Получается вдвойне выгодный процесс — можно не только получить удобное и экологичное топливо, но и запасти впрок энергию нестабильных солнечных генераторов. Однако, пока что у солнечного водорода есть существенный недостаток — высокая цена. К стоимости солнечного элемента в таком случае нужно прибавить стоимость катализаторов для электролиза, которые зачастую изготавливают из металлов платиновой группы. Эффективность таких устройств тоже пока что ниже, чем у стандартных солнечных элементов, ведь энергия преобразуется дважды, на каждом этапе часть ее теряется. В настоящее время энергия, которую можно получить от сжигания полученного водорода, у лучших преобразователей составляет только 17 процентов от поглощенной ими солнечной энергии. Все это делает солнечный водород дорогим. Поэтому, хотя водородное топливо становится все более популярным (уже используется около 80 миллионов тонн водорода в год), основным его источником все еще остается дешевый реформинг метана. Австралийские ученые под руководством Нэйтана Чана (Nathan L.Chang) из Университета Нового Южного Уэльса попробовали выяснить, как сделать экологичный водород дешевле В своем анализе они сосредоточились на так называемых независимых электролизерах Такие устройства не подключены к сети и питаются только от солнечных батарей. По сравнению с гибридными электролизерами, которые могут питаться и от сети, и от солнечных батарей, такие устройства работают менее стабильно и имеют ограниченную емкость. Но есть у независимых электролизеров и сильные стороны — такие устройства можно использовать для получения водорода в самых отдаленных районах, а отказ от проводов для соединения с сетью, делает их немного дешевле. Чтобы оценить вклад разных факторов, влияющих на работу независимого солнечного электролизера — стоимости материалов, эффективности, размера устройств, погодных условий и даже стоимости воды, которая нужна для электролиза, — ученые использовали метод Монте-Карло. Всего было сделано 20 тысяч итераций для разных климатических условий, помимо Австралии ученые рассмотрели районы Испании, Японии и Чили. Чан и его коллеги исходили из предположения, что для выхода на рынок экологичному водороду необходимо преодолеть ценовой порог в 2,5 доллара США за килограмм. На сегодняшний день, согласно их расчетам, средняя цена водорода, полученного в Австралии, все еще выше — от 3,4 до 3,7 долларов за килограмм. Вполне ожидаемо, больше всего цены на водород зависят от стоимости устройства. При этом из двух составных частей электролизера — солнечного элемента и катализатора — больший вклад в финальную цену вносит стоимость солнечного элемента. Кроме того, ученые отмечают, что стоимость водорода зависит от погодных условий — в первую очередь от яркости солнца и количества солнечных дней. Если в солнечном Порт-Хедленде в Австралии стоимость водорода составляет около 3,38 долларов за килограмм, то в Фукусиме в Японии при прочих равных условиях получится 4,72 доллара за килограмм. Поэтому авторы работы считают, что Японию можно будет рассматривать в качестве потенциального покупателя для австралийского водорода. Одним из самых эффективных способов для снижения стоимости водорода авторы называют переход на более масштабные и мощные преобразователи. Их расчеты показывают, что увеличение мощности устройства в десять раз уже сейчас может снизить цену на водород на 0,3 доллара за килограмм. Появление более эффективных солнечных батарей и катализаторов, разумеется, тоже будет каждый год делать водород из электролизеров немного дешевле. Поэтому стоимость полученного в Австралии солнечного водорода будет непрерывно снижаться, и уже к 2030 году может преодолеть порог в 2,2 доллара США за килограмм. Впрочем, задачу разработки одновременно дешевого и эффективного электролизера на солнечных батареях еще предстоит решить. Сейчас над созданием таких устройств работает множество научных групп по всему миру. Несколько месяцев назад американские и китайские химики собрали электролизер без использования дорогостоящих материалов — соединили перовскитный солнечный элемент с электрокатализатором из наностержней оксида кобальта. Эффективность устройства оказалась не очень высокой — 6,7 процентов — но авторы работы считают, что в дальнейшем ее можно будет повысить.Наталия Самойлова