Ирландские ученые открывают способ увеличения срока службы батарей
Ежедневное использование смартфонов и других портативных устройств показывает нам, что производство литий-ионных батарей старается соответствовать рынку современной потребительской электроники. Для разработки аккумуляторов телефонов, планшетов, электромобилей, гаджетов предлагаются легкие, безопасные, экологически чистые батареи, которые способны быстро заряжать и обладают высокой производительностью и длительным циклом работы. Цели по достижению этих свойств стоят на повестке дня исследований для многих ученых во всем мире. Часто поиск нетоксичного и безопасного материала для производства батарей, который превосходил бы существующие аналоги, является трудной задачей. Недавно стало известно о научном прорыве с использованием обычного материала, созданного необычным способом и обеспечивающего сверхдлительный срок службы литий-ионной батареи.
Исследование, поддержанное Научным фондом Ирландии, было проведено Дэвидом МакНалти, постдокторским исследователем, и Колмом О'Двайером, главным исследователем Колледжа университета г. Корк в Ирландии. Исследователи разработали метод, который позволяет диоксид титана (TiO2), природный минерал, использующийся так же в качестве поглощающего ультрафиолет материала в солнцезащитных кремах, создать один из самых долгоживущих анодных материалов для литий-ионных батарей.
Так в чем же состоит научный прорыв? Материал, представляющий собой упорядоченную пористую структуру, обеспечивает эффективный сбор и разгрузку материала в течение более 5000 циклов без существенного угасания емкости. Такое трехмерное расположение наночастиц рутиловой фазы диоксида титана называется «обратным опалом» и формируется путем заполнения искусственных опалов, выполненных в лаборатории, активным материалом батареи. Обратные опаловые структуры естественно встречаются в природе. Эти периодически пористые структуры составляют, например, цветные, радужные части крыльев бабочки, павлиньи перья, экзо-скелетные структуры долгоносиков и морских мышей. Создавая пористые материалы упорядоченным образом, природа обеспечивает новые функциональные возможности. Ученые Колледжа университета г. Корк адаптировали этот подход для исследования электрохимических явлений - в данном случае - высокоэффективных литий-ионных аккумуляторных материалов.
Существующая в настоящее время технология Li-ion использует материалы, беспорядочно смешивающиеся с полимерами (для связывания) и проводящими углями (для электропроводимости). Поскольку прогнозируемая потребность использования литий-ионных технологий возрастает, например, для электромобилей, бытовой электроники, распространения внесетевых беспроводных коммуникаций для сетей 5G, то исследователи и разработчики стремятся находить некритические материалы, имеющие отличные характеристики. Нетоксичные и не содержащие фтора связующие являются более экологичными и могут быть подвергнуты безопасной обработке. В этом отношении для аккумуляторной технологии в материале TiO2 отсутствуют каких-либо добавки, а весь материал батареи - экологичен, доступен, нетоксичен, не содержит фтора и лишен дефицитного сырья.
Более того, путем соединения активных наночастиц в открытой пористой геометрии можно применять долгоживущие литий-ионные аккумуляторные электроды, используя при этом только активный материал.
