«Вечная» батарейка: как алюминий может изменить мир мобильных устройств

У потребительских гаджетов одна из главных проблем — ограниченный срок службы аккумуляторов. У литий-ионных батарей большое количество недостатков: они относительно взрывоопасны, теряют емкость уже через пару лет эксплуатации и плохо переносят высокие и низкие температуры. Обо всем этом я писал в другом посте ^[1].

Но, похоже, еще одно решение найдено. Ученые из Китая разработали ^[2] алюминий-ионный аккумулятор, который гораздо безопаснее литиево-ионного. И это не все, он еще и емкость не теряет десятки лет. Может быть (тут нужно быть осторожным), мы свидетели прорыва, меняющего правила игры в технологической индустрии. Давайте вместе оценим достоинства новинки. А в комментариях обсудим, действительно ли это прорыв или так, очередная грантовая работа какой-то лаборатории.

Что вообще случилось?

Команда ученых из Пекинского университета под руководством Вэй Вана (Wei Wang) представила ^[3] миру новую разновидность алюминий-ионного аккумулятора. И конечно, написала статью по результатам проведенного исследования. Она называется ^[4] «Твердотельный электролит с инертным неорганическим каркасом, пригодный для вторичной переработки, для долговечных алюминиево-ионных аккумуляторов».

По мнению ученых, батареи с таким электролитом могут выдержать до 10 000 циклов перезарядки, сохраняя при этом 99% своей первоначальной емкости. Для сравнения: современные литий-ионные батареи начинают терять емкость уже после 500–1 000 циклов.

Исследователи заявили, что алюминий-ионные аккумуляторы обладают высокой термоустойчивостью. В ходе испытаний они выдерживали нагрев до 200 ℃ без каких-либо последствий. Все потому, что в Al-ion-батареях нет легковоспламеняющихся электролитов, что сводит к минимуму риск возгорания. А вот если бы вы попробовали нагреть обычный Li-ion-аккумулятор, скажем, для iPhone, до 200 градусов Цельсия, то наблюдали бы красивый и очень опасный взрыв.

Создатели нового твердотельного аккумулятора уже проверили его в деле. Он достойно выдержал серию испытаний и показал отличную устойчивость к внешним воздействиям. Даже после многократных механических нагрузок (каких именно, авторы не раскрывают, но вряд ли по батарее лупили молотком) аккумулятор не потерял емкость и продолжал работать.

Ну а теперь давайте к подробностям, все же тут много нюансов, о которых нужно рассказать.

Это новая технология?

Al-Ion-аккумулятор — вовсе не новая разработка, есть разные проекты ^[5] по созданию Al-ion-элементов питания. Но все они сталкивались с главной проблемой. В традиционных жидких электролитах на основе хлорида алюминия анод подвергается сильной коррозии. Это связано с тем, что ионы хлора разрушают защитный оксидный слой на электроде, что приводит к его неравномерному растворению и последующему осаждению в виде металлического алюминия. Через несколько таких циклов проявляются структурные изменения, приводящие к образованию трещин и ухудшению контакта с электролитом.

Есть и еще одна сложность. На границе «анод-электролит» формируется твердофазный межфазный слой ^[6] (SEI, Solid Electrolyte Interphase). Так назвали тонкую пленку, образующуюся на поверхности анода при взаимодействии с электролитом. Она должна быть стабильной. Но в некоторых случаях этот слой может содержать оксидные или органические соединения, мешающие нормальной работе анода. Если такой слой неравномерно разрушается во время циклов зарядки и разрядки, то анод, соответственно, тоже «умирает».

Так вот ученые Пекинского университета нашли способ создать алюминиево-ионный аккумулятор, лишенный этих недостатков. Они добавили в жидкость инертную соль фторида алюминия, получив твердотельный электролит с пористой структурой. В этой среде ионы алюминия свободно перемещаются между электродами, батарея сохраняет свои свойства, металл не подвергается коррозии.

Осталось защитить анод и катод. Для этого разработчики использовали фторэтиленкарбонат в качестве добавки. Он формирует устойчивую пленку на электродах, предотвращая образование оксидов и прочих соединений, мешающих работе аккумулятора.

Перспективы

Тут сложно недооценить новую разработку. Дело в том, что сегодня срок службы многих устройств по типу смартфонов ограничен износом батареи. Гаджет зачастую не успевает устареть, а вот аккумулятор уже не «держит». Стоимость его замены иногда составляет солидную часть цены самого девайса. Так что владелец предпочитает купить что-то новое. С появлением алюминий-ионных аккумуляторов владельцы смогут использовать свои устройства десятилетиями, не беспокоясь о замене батареи.

Вэй Ван, руководитель проекта, прокомментировал ^[7]: «Новая конструкция алюминий-ионного аккумулятора демонстрирует потенциал для долговечной, экономически эффективной и высокобезопасной системы хранения энергии. Возможность восстановления и переработки ключевых материалов делает технологию более надежной».

Еще одно достоинство «алюминиевых батарей» — их экологичность. То есть алюминий-ионные аккумуляторы легче перерабатывать, чем литиевые. Это особенно важно в условиях растущего спроса на электронику и увеличения объемов электронных отходов ^[8]. В 2022 году в мире было произведено ^[8] рекордное их количество — 62 миллиона тонн, что на 82% больше по сравнению с 2010 годом. При этом лишь 22,3% из них были официально собраны и переработаны.

Но не стоит воспринимать Al-ion-аккумуляторы как панацею. Дело в том, что у технологии пока есть проблемы. Во-первых, пока алюминий-ионные батареи находятся на стадии разработки, и их коммерциализация может занять несколько лет. И это в случае заинтересованности бизнеса. А ведь нельзя забывать о производителях литий-ионных батарей. Они могут долго и успешно сопротивляться внедрению новой технологии, чтобы не получить конкурента. Так что придется подождать.

А как вы считаете, найдет эта технология «путевку в жизнь» или так и останется проектом в чьем-то глубоком и темном ящике?