|  | 23 августа 2015 | Нанотехнологии, Энергетика

Сложные алюминиевые наночастицы позволят кардинально улучшить параметры аккумуляторных батарей

Структура сложной наночастицы


Исследователи из Массачусетского технологического института, США, и университета Цинхуа, Китай, нашли способ утроить емкость анодов, электродов, притягивающих отрицательно заряженные ионы в литий-ионных аккумуляторных батареях. Кроме увеличения емкости предлагаемый метод может обеспечить увеличение срока жизни батарей, более быстрое время их заряда и разрядки. Новый электрод, в котором использованы алюминий-титановые наночастицы, достаточно прост в производстве и его применение имеет огромный потенциал, особенно в системах аккумулирования энергии большой мощности.

Литий-ионные аккумуляторы, используемые в наших смартфонах, планшетах и ноутбуках, хранят несущие энергию ионы в районе положительно заряженного электрода, сделанного, обычно, из графита. В теории, в качестве материала электрода могут быть использованы и другие материалы, которые обеспечат лучшие параметры батарей, большую емкость, большую плотность хранения энергии и т.п. Но каждый альтернативный вариант имеет и свои собственные недостатки. Литиевый электрод может хранить в 10 раз большее количество энергии, нежели графит, но литий является склонным к воспламенению материалом, кремний и олово также могут выиграть у графита по ряду параметров, но только при условии слишком медленного заряда и разряда, что абсолютно непрактично.

Многие из альтернативных материалов имеют тенденцию чувствительно изменять свой объем. Возникающие деформации приводят к появлению механических напряжений, которые, в течение длительного времени, повреждают контакты электродов, уменьшают емкость аккумулятора и вообще могут стать причиной повреждения его корпуса.

Группа исследователей, о которой речь шла в самом начале, нашла путь решения большинства проблем существующих аккумуляторов. А ключевым моментом этого решения стали наночастицы с твердой внешней оболочкой из титана и внутренним алюминиевым "желтком", который может свободно расширяться и сжиматься внутри титановой "скорлупы" в определенных пределах. Это позволяет внутренней алюминиевой наночастице хранить и высвобождать ионы, а титановая оболочка предохраняет структуру электрода от повреждений, что приводит к увеличению емкости и срока службы батареи.

Алюминий является относительно дешевым материалом, который, подобно литию и кремнию, позволяет хранить больше энергии, нежели графит. Однако, он не рассматривался в качестве материала для литий-ионных аккумуляторов из-за того, что алюминиевые частицы из-за постоянных циклов расширения-сжатия постепенно теряют внешние слои. "Упаковка" алюминиевых частиц в раковину из диоксида титана или чистого титана предотвращает потерю материала и позволяет использовать алюминий в качестве основного материала электрода аккумуляторной батареи.

Для производства сложных наночастиц исследователи взяли алюминиевые наночастицы, диаметром около 50 нанометров, и поместили их в раствор, содержащий серную кислоту и оксисульфат титана. В результате произошедших там химических реакций каждая наночастица получила твердую оболочку , толщиной от трех до четырех нанометров. После пребывания в кислоте в течение нескольких часов размеры алюминиевых наночастиц уменьшились до 30 нанометров, что дало им достаточно свободного пространства внутри оболочки для того, чтобы привлечь ионы лития, расшириться, но при этом не затронуть и не повредить структуру электрода батареи.

Производя тестирование электродов нового типа, ученые выяснили, что внешние оболочки наночастиц стали незначительно толще после 500 циклов интенсивной заряда-разрядки. Алюминиевые наночастицы при этом практически не потеряли массы и не были повреждены. В то время, как стандартный графитовый электрод обеспечивает емкость 0.35 ампер-часа на грамм, новый электрод смог обеспечить в три раза большую емкость, 1.2 ампер-часа на грамм. После проведения интенсивных испытаний, по шесть минут на каждую полную зарядку и разрядку, емкость нового электрода стала составлять 0.66 ампер-часа на грамм, что в два раза лучше показателей электродов из других альтернативных материалов.

Низкая стоимость алюминия, наряду с простым и масштабируемым процессом производства наночастиц, могут обеспечить достаточно хорошее будущее этой технологии. А исследователи к настоящему времени уже создали опытные образцы полных ячеек аккумуляторных батарей, в которых второй электрод был изготовлен из фосфата железа. В недалеком будущем эта технология будет готова выйти из стен лаборатории и войти в реальный мир, став основой новых аккумуляторных батарей, имеющих высокую емкость, меньшую массу и габариты, способные заряжаться за короткое время и имеющих более длинный срок службы.




Ключевые слова:
Аккумулятор, Литий, Ион, Электрод, Наночастица, Алюминий, Оболочка, Титан, Расширение, Емкость, Энергия

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Компании Hitachi-Maxell удалось увеличить в два раза емкость литий-ионных а ...
  • Создана первая алюминиевая батарея, превосходящая по всем показателям литий ...
  • Мутировавшие вирусы могут стать основой новых высокоэффективных литий-возду ...
  • Обнаружен критичный дефект аккумуляторных батарей современных электрических ...
  • Использование нового анодного материала удвоит емкость литий-ионных аккумул ...




  • 24 августа 2015 23:03
    #1 Написал: bol_tik

    Публикаций: 0
    Комментариев: 65
    Ну сколько можно angry ? Помашут перед носом, в новостях, очередной технологией увеличения емкости батарей и спрячут : (
        
    25 августа 2015 15:34
    #2 Написал: MaxIvanov

    Публикаций: 0
    Комментариев: 393
    В 2009 м, мой первый смарт, работал кажется часа три, просто с включенным экраном на мин мощности,без загрузки процессора. игра его сажала минут за 40. Раз в 5ть баррели точно стали лучше.
        
    25 августа 2015 16:01
    #3 Написал: Zerger

    Публикаций: 0
    Комментариев: 776
    все ждут чуда в этом направлении, и я жду...


    --------------------
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.