Ученые изобрели новый тип батареи

Венский технологический университет, 15 мая 2023 г.

Прототип батареи в Венском техническом университете. Кредит: ТУ Вена

Исследователи из TU Wien (Вена) разработали революционную кислородно-ионную батарею, которая отличается исключительной долговечностью, устраняет необходимость в редких элементах и ​​решает проблему пожароопасности.

Литий-ионные аккумуляторы, хотя и являются обычным явлением в современном мире и питают все, от электромобилей до смартфонов, не обязательно являются оптимальным решением для всех приложений. Исследователи из Венского технического университета совершили прорыв, создав кислородно-ионную батарею, обладающую рядом существенных преимуществ. Хотя он может не соответствовать плотности энергии литий-ионных батарей, его емкость не уменьшается необратимо с течением времени, что делает его способным к исключительно длительному сроку службы, поскольку его можно регенерировать.

Кроме того, для изготовления кислородно-ионных аккумуляторов не требуются дефицитные элементы и используются негорючие материалы. Инновационная концепция батареи уже привела к подаче заявки на патент, поданной в сотрудничестве с партнерами в Испании. Эти кислородно-ионные батареи могут стать отличным решением для крупномасштабных систем хранения энергии, например тех, которые необходимы для хранения электроэнергии из возобновляемых источников.

«У нас уже довольно давно имеется большой опыт работы с керамическими материалами, которые можно использовать для топливных элементов», — говорит Александр Шмид из Института химических технологий и аналитики Венского технического университета. «Это натолкнуло нас на мысль изучить, могут ли такие материалы подойти для изготовления батарей».

Керамические материалы, которые изучала команда TU Wien, могут поглощать и выделять дважды отрицательно заряженные ионы кислорода. При приложении электрического напряжения ионы кислорода мигрируют из одного керамического материала в другой, после чего их можно заставить снова мигрировать обратно, генерируя таким образом электрический ток.

Профессор Юрген Фляйг, Тобиас Хубер и Александр Шмид (слева направо). Кредит: ТУ Вена

«Основной принцип на самом деле очень похож на литий-ионный аккумулятор», — говорит профессор Юрген Флейг. «Но у наших материалов есть несколько важных преимуществ». Керамика не горюча – поэтому пожары, которые неоднократно случаются с литий-ионными аккумуляторами, практически исключены. Кроме того, нет необходимости в редких элементах, которые дороги или могут быть извлечены только экологически вредным способом.

«В этом отношении использование керамических материалов является большим преимуществом, поскольку их можно очень хорошо адаптировать», — говорит Тобиас Хубер. «Вы можете сравнительно легко заменить некоторые элементы, которые трудно получить, другими». В прототипе батареи по-прежнему используется лантан — элемент не то чтобы редкий, но и не совсем распространенный. Но даже лантан придется заменить чем-то более дешевым, и исследования в этом направлении уже ведутся. Кобальт или никель, которые используются во многих батареях, вообще не используются.

Но, пожалуй, самым важным преимуществом новой аккумуляторной технологии является ее потенциальная долговечность: «Во многих батареях возникает проблема: в какой-то момент носители заряда больше не могут двигаться», — говорит Александр Шмид. «Тогда их уже нельзя будет использовать для выработки электроэнергии, емкость аккумулятора снижается. После многих циклов зарядки это может стать серьезной проблемой».

Кислородно-ионный аккумулятор, однако, можно без проблем регенерировать: если кислород теряется из-за побочных реакций, то потери можно просто компенсировать кислородом из окружающего воздуха.

Новая концепция батареи не предназначена для смартфонов или электромобилей, поскольку кислородно-ионная батарея обеспечивает лишь около трети плотности энергии, к которой привыкли литий-ионные батареи, и работает при температуре от 200 до 400 °C. Однако эта технология чрезвычайно интересна для хранения энергии.

«Если вам нужен большой накопитель энергии, например, для временного хранения солнечной или ветровой энергии, кислородно-ионная батарея может стать отличным решением», — говорит Александр Шмид. «Если вы построите целое здание, полное модулей накопления энергии, меньшая плотность энергии и повышенная рабочая температура не будут играть решающей роли. Но там особенно важны сильные стороны нашей батареи: длительный срок службы, возможность производства больших количества этих материалов без редких элементов, а также тот факт, что с этими батареями нет опасности возгорания».