Плюс для минуса: создан не разряжающийся на морозе аккумулятор

Российские ученые нашли метод сделать литий-ионные аккумуляторы морозоустойчивыми. Такие батареи используются в разных гаджетах и электромобилях, но быстро разряжаются на холоде. Применение германия в аккумуляторе помогло достичь эффективной работы оборудования вплоть до –50 °С. Кроме того, этот материал позволит снизить массу и размер батареи при сохранении времени работы устройства без подзарядки. Морозостойкие батареи пригодятся для гаджетов, промышленности и даже военных разработок, указали эксперты. Однако они напомнили, что пока новый материал показывает хороший результат лишь в лабораторных условиях и неизвестно, получится ли создать с ним настоящие аккумуляторы.

Батарея, вперед

Коллектив ученых из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Московского института электронной техники и МГУ им. М.В. Ломоносова разработал элементы батареи на основе нанопроволок из германия. Благодаря применению этого элемента повышается емкость аккумулятора и он эффективно работает даже при температуре –50 °С, сообщили авторы.

Электрический заряд, благодаря которому батареи вырабатывают энергию, переносится между двумя пластинами — электродами. В широко распространенных литий-ионных аккумуляторах одна из них состоит из графита (анод), а вторая — из соединений лития с кобальтом или лития с железом (электрод). В силу законов физики на холоде электроды менее эффективно захватывают и отдают ионы лития. Ученые пришли к выводу, что применение нанопроволок германия для анода вместо графита сохранит накапливаемую энергию даже при низких температурах.

— Нанопроволоки из графена при взаимодействии с электролитом в аккумуляторах создают десять различных соединений с литием. Благодаря этому емкость материала становится в пять раз выше, чем у графита в обычных аккумуляторах на смартфонах, — рассказал руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат химических наук, сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН Илья Гаврилин.

Емкость самого аккумулятора складывается из показателей этих характеристик у катода и анода. Поэтому такая высокая емкость анода из нанопроволок германия позволит снизить значительно массу и размер батареи для устройств при полном сохранении показателей времени работы без подзарядки.

Благодаря высокой емкости аккумулятор с анодом из германия эффективно работает даже при температуре –50 °С. Чтобы проверить это, ученые детально оценили, как германиевые электроды работают при разных температурах. Они собрали герметичные ячейки с германиевыми электродами и электролитом и проводили эксперименты по заряду и разряду ячеек при температурах от +20 °С до –50 °С. Эффективность работы батареи с альтернативным материалом на холоде немного снижалась, но была значительно выше, чем у классических устройств.

— При зарядке на поверхности электродов формировалась нерастворимая пленка, состоящая из продуктов восстановления электролита, — сообщил Илья Гаврилин. — Чтобы оценить эффективность работы электродов, мы измерили полное сопротивление ячейки во время процесса зарядки и разрядки электродов при отрицательных температурах. Оказалось, что сопротивление нерастворимой пленки в процессе присоединения и отдачи лития при понижении температуры до –40 °С увеличивается незначительно и практически не влияет на работу электрода при пониженных температурах. Но при этом сопротивление переноса заряда увеличилось на порядок вследствие законов физики, что немного снизило емкость батареи.

И в быту, и на войне

По словам экспертов, морозостойкие аккумуляторы будут востребованы во многих областях.

— Коллеги разработали довольно оригинальную технологию применения германия в качестве анодного материала, — отметил эксперт кафедры физической химии НИТУ «МИСиС» Алексей Юдин. — Благодаря своей структуре у такого материала большая площадь «соприкосновения» с электролитом. Поэтому он и демонстрирует высокие характеристики. Помимо холодоустойчивости при работе, батарея с таким анодом будет очень быстро заряжаться в любых условиях.

Эксперт считает, что у технологии есть большие шансы получить дальнейшее развитие, в том числе найти коммерческое применение.

— Пока коллеги только исследуют новый материал, при оптимизации его характеристики станут еще лучше, — уверен он. — Вероятнее всего, батареи будут наиболее востребованы именно в гаджетах. Сделать относительно большой аккумулятор для электромобиля сложнее. Такое решение может пригодиться для Минобороны и космоса. Военным нужны устройства, которые будут без нареканий работать в условиях севера. Ряд задач для добывающей промышленности требует аккумуляторов для питания информационных датчиков. Например, такие датчики записывают и сохраняют режимы работы оборудования: от генераторов до буровых установок.

Доцент кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин напомнил, что пока нанопроволоки из графена показали свою эффективность только в лабораторных условиях, на практике же результат может получиться иной.

— Многие коллективы работают с германием, — пояснил эксперт. — Но перспективность материала зависит от того, насколько удобен он окажется при практическом применении. В науке часто бывает ситуация, когда в лабораторных условиях результаты получаются отличные, а вне лаборатории уже нет. При попытке создания настоящего аккумулятора могут возникнуть сложности, преодолеть которые очень тяжело. Например, нанопроволоки из германия могут образовывать слишком тонкий слой для настоящей батареи. Хотя продолжать исследования в данном направлении очень важно, ведь одна из ключевых проблем использования аккумуляторов на морозе — графитовый анод, не работающий при низких температурах.

В дальнейшем ученые планируют найти новый материал катодов, чтобы еще повысить емкость аккумуляторов. Работа была поддержана Российским научным фондом (РНФ).