Подрыв устоев Достигнут прогресс в создании эффективных литиевых аккумуляторов

Группа ученых из Колумбийской школы инженерных и прикладных наук в Нью-Йорке разработала новый способ производства литиевых аккумуляторов, повышающий их безопасность и эффективность. Кроме того, это позволит приблизиться к созданию гибких смартфонов, о чем так мечтают в Samsung и LG. «Лента.ру» разобралась, как специалисты собираются сделать телефоны совершенно безопасными и когда произойдет долгожданная революция в этой сфере технологий.

Полная заморозка

Одна из главных проблем литиевых аккумуляторов — использование жидкого (или гелеобразного) электролита. Проблема в том, что при повышении температуры электролит разлагается на легковоспламеняющиеся компоненты. Уже было множество инцидентов, связанных с самовоспламенением смартфонов, ноутбуков и прочих девайсов. Ученые пытаются найти более стабильные альтернативы.

Команда инженеров из Нью-Йорка намерена решить эту проблему с помощью заморозки электролита с водным раствором и керамическими трубками. Лед позволяет выровнять трубки, после чего замерзшая жидкость переводится в газообразное состояние посредством возгонки, сохраняя структуру электролита. После этого частицы соединяются с помощью полимера, обеспечивая аккумулятору гибкость.

Подобной устойчивостью к изгибанию обладают и обычные литий-полимерные аккумуляторы, однако они еще опаснее, чем литий-ионные. Американские специалисты утверждают, что их аккумулятор с керамическим электролитом абсолютно безопасен. В целом твердотельные литий-ионные батареи считаются сейчас одними из самых перспективных как раз благодаря своей стабильности.

«В портативных устройствах, а также в электромобилях твердотельные сгибаемые батареи не только способны решить проблему самовозгорания, но и могут увеличить плотность накапливаемой и переносимой энергии. Кроме того, они дают надежду на скорое создание сгибаемых устройств», — утверждает ведущий автор исследования Юань Ян (Yuan Yang).

По его словам, такой аккумулятор гораздо эффективнее обычных литий-ионных и литий-полимерных батарей. Твердый электролит позволяет заменить электрод, тем самым повысив эффективность батареи, по оценкам, на 60-70 процентов. Однако никаких тестов проведено не было, и реальную эффективность разработки еще предстоит доказать.

Тем не менее ученые полны оптимизма. «Это хорошая идея, — заявил доцент Йельского университета Хайлян Ван (Hailiang Wang). — Грамотно спроектированная структура действительно помогает повысить производительность композитного электролита. Я уверен, что это перспективный подход».

С другого конца

Специалисты Калифорнийского университета в Риверсайде иначе подошли к модернизации литиевых батарей. Они решили добавить в жидкий электролит органическое соединение метилвиологен. Дело в том, что при зарядке аккумулятора в электролите неконтролируемо возникают пространственные образования (дендриты). Помимо того что они снижают эффективность батареи, из-за них электроды могут замкнуться, и аккумулятор взорвется.

Метилвиологен, добавленный в электролит, создает стабилизирующее покрытие, препятствующее образованию дендритов, и повышает срок службы батареи в три раза. Кроме того, метилвиологен дешев в производстве, а для стабилизации аккумулятора хватит и 0,5 процента этой добавки. Впрочем, пока специалисты не готовы полностью гарантировать безопасность аккумуляторов с таким защитным слоем.

94-летний отец литий-ионных аккумуляторов Джон Гуденаф (John Goodenough) тоже подключился к поискам альтернативы. Вместе с командой ученых из Техасского университета в Остине он создал новый тип твердотельной батареи. Утверждается, что она дешевле, безопаснее и лучше всего того, что сейчас есть на рынке. По оценкам Гуденафа, его аккумулятор может хранить в 5-10 раз больше энергии, и в тестах было достигнуто 30-кратное повышение плотности энергии.

Особенность изобретения Гуденафа в том, что элементы аккумулятора состоят из чистого лития и натрия с обеих сторон. Но для получения энергии необходимы различающиеся электрохимические реакции в двух противостоящих электродах. Как удалось обойти фундаментальные законы термодинамики, Гуденаф не объясняет, и скепсис, с каким встретили его разработку в научном мире, вполне понятен.

Ядерный потенциал

По мнению многих специалистов, нынешние аккумуляторы — самое слабое место портативной техники, препятствующее ее развитию. Поэтому необходимы радикальные меры и абсолютно новые батареи, способные обеспечить месяцы работы без подзарядки.

Один из наиболее перспективных «аккумуляторов будущего» — магниевые батареи. С точки зрения хранения энергии магний гораздо эффективнее, чем литий. По некоторым оценкам, такой аккумулятор хранит в 15 раз больше энергии, срок службы больше в пять раз, а зарядка на 70 процентов быстрее. К тому же, говоря о безопасности, нельзя не заметить, что магний абсолютно стабилен на воздухе.

Однако образовать электролит, в котором магний не деградирует и который обеспечивает эффективную передачу энергии, — трудная задача. Поэтому даже по самым оптимистичным подсчетам специалистов, такие батареи придут в электронику не раньше чем через 20 лет.

А самый смелый концепт — ядерный аккумулятор. Химикам из Бристольского университета в Англии удалось создать прототип «вечной» батареи на основе алмаза из радиоактивного изотопа. Период полураспада используемого в батарее углерода-14 — 5700 лет, то есть за почти шесть тысячелетий она потеряет лишь половину своей мощности. По утверждению разработчиков, эта батарея не выделяет вредных веществ, не имеет подвижных частей и не требует обслуживания. Аналогичную технологию представили и российские ученые, только вместо алмаза у них карбид кремния.

Хотя литиевые батареи обладают множеством недостатков, они по-прежнему служат главным источником энергии для всех портативных устройств. Все попытки разработать новый тип батарей пока тщетны. Поэтому производители техники продолжают использовать батареи, созданные более 40 лет назад, лишь улучшая и незначительно изменяя их.