В исследовании, опубликованном недавно в журнале Energy Storage Materials, группа инженеров из Политехнического института Ренсселера продемонстрировала, как они могут – используя водные электролиты вместо обычных органических электролитов – собрать существенно более безопасную и экономичную батарею, которая по-прежнему хорошо работает.
Если бы вы заглянули внутрь батареи, вы бы обнаружили два электрода – анод и катод.
Эти электроды погружены в жидкий электролит, который проводит ионы во время зарядки и разрядки аккумулятора.
На водные электролиты обращают внимание на эту роль из-за их негорючей природы и потому, что, в отличие от неводных электролитов, они не чувствительны к влаге в производственном процессе, что упрощает работу с ними и снижает их стоимость. Самая большая проблема с этим материалом – поддержание рабочих характеристик.
«Если вы приложите слишком большое напряжение к воде, она электролизует, что означает, что вода распадается на водород и кислород», – сказал Нихил Кораткар, профессор кафедры механической, аэрокосмической и ядерной инженерии в Rensselaer. "Это проблема, потому что тогда происходит выделение газа, и электролит расходуется.
Обычно этот материал имеет очень ограниченное окно напряжения."
В этом исследовании Кораткар и его команда, в которую входили Фудонг Хан, заведующий кафедрой доцент кафедры механической, аэрокосмической и ядерной инженерии, и Анируддха Лакнот, докторант Ренсселера, использовали особый тип водного электролита, известный как вода. -в солевом электролите, который менее подвержен электролизу.
В качестве катода исследователи использовали оксид лития-марганца, а в качестве анода – оксид ниобия-вольфрама – сложный оксид, который, по словам Кораткара, ранее не исследовался в водной батарее.
«Оказывается, оксид ниобия-вольфрама является выдающимся с точки зрения запасенной энергии на единицу объема», – сказал Кораткар. «С точки зрения объема, это, безусловно, лучший результат, который мы видели в водной литий-ионной батарее."
Он объяснил, что оксид ниобия-вольфрама относительно тяжелый и плотный. Этот вес делает его накопление энергии на основе примерно среднего веса, но плотная упаковка частиц оксида ниобия-вольфрама в электроде делает его накопление энергии на основе объема довольно хорошим.
Кристаллическая структура этого материала также имеет четко определенные каналы или туннели, которые позволяют ионам лития быстро диффундировать, а это означает, что он может быстро заряжаться.
По словам Кораткара, сочетание возможности быстрой зарядки и способности хранить большое количество заряда на единицу объема редко встречается в водных аккумуляторах.
Достижение такой производительности при низкой стоимости и повышенной безопасности имеет практические последствия. Для новых приложений, таких как портативная электроника, электромобили и сетевое хранилище, способность упаковать максимальное количество энергии в ограниченный объем становится критически важной.