Хаос на страже электрического заряда

Ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.Эту идею до них никто не развивал, поскольку неупорядоченные (или беспорядочные, движущиеся хаотично) частицы теоретически и практически могут стать препятствием при производстве и эксплуатации элементов питания.

Несмотря на то, ранее технология нигде и никем не применялась, американские ученые уже добились определенных успехов в выбранном направлении. К главным преимуществам магниевых АКБ авторы технологии отнесли их повышенную безопасность в сравнении с литиевыми батареями, а также способность гораздо дольше держать заряд.

По словам исследователей, если литий-ионные аккумуляторы уже достаточно давно достигли пика своего развития, то магниевые лишь только начинают свой путь, имея в запасе внушительный потенциал.

Суть и потенциал технологии

В аккумуляторе, созданном учеными Иллинойского университета, используется созданный ими на основе оксида магния и хрома (MgCr2O4) неупорядоченный материал толщиной порядка 5 нанометров. Его характеризует в первую очередь низкая температура реакции при высокой скорости этой самой реакции. На практике это даст возможность не опасаться перегрева аккумулятора в мобильном устройстве в жаркий летний день или в процессе подзарядки. Литий-ионные батареи, отметим, очень чувствительны к изменению температуры и могут воспламениться и даже взорваться прямо в руках у владельца смартфона.

Преследуя цель убедиться в своей правоте, ученые провели сравнительный эксперимент, в ходе которого сопоставили 5-нанометрвоый неупорядоченный материал с 7-нанометровым упорядоченным оксидом магния и хрома. Оба материала подвергались различным испытаниям и тестам, включая рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и современные электрохимические методы тестирования.

Тестирование первой в мире батареи на неупорядоченных частицах оксида магния в лабораторных условиях

Специалисты исследовали структурные и химические изменения в материалах в процессе их тестирования и увидели, что они ведут себя совершенно по-разному. Неупорядоченные частицы оксида магния могут перетекать от анода к катоду, тогда как упорядоченные – нет. На основе полученных результатов ученые сделали вывод о пригодности их новой технологии для создания нового вида аккумуляторных батарей. По состоянию на декабрь 2018 г. технология требовала доработки и не могла быть использована в серийном производстве.

Магний лучше лития, никеля и кадмия?

О применении магния в перезаряжаемых элементах питания специалисты стали задумываться еще в начале века, даже когда литиевые батареи еще не получили столь широкого распространения. В 2003 г. израильские ученые из университета в Рамат-Гане даже разработали прототип нового магниевого аккумулятора, который практически не уступал по своим энергетическим свойствам популярным тогда никель-кадмиевым АКБ. Он тоже выдавал напряжение до 1,2 В, но при этом характеризовался меньшей степенью деградации спустя несколько сотен циклов зарядки и разрядки и в целом был намного более экологичным. В серию аккумуляторы, выполненные по израильской технологии, не пошли.

Конкурирующие разработки

Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые АКБ и положить конец их далеко не самым экологичным производству и утилизации. К примеру, еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.

В целом, многие страны сейчас ищут замену не самым дешевым в производстве литий-ионным АКБ. К примеру, Китай отдал предпочтение аккумуляторам на твердых электролитах – такие батареи надежнее, безопаснее и производительнее литиевых. Их также характеризует сравнительно малый вес, что позволит уменьшить массу мобильных устройств. Твердотельные аккумуляторы имеют большой потенциал в автомобилестроении – при идентичной емкости они компактнее литиевых, что позволит увеличить запас хода гибридных и электрических транспортных средств без прироста их массы.