Повече километри с ‘една батерия’ може да има във водораслите

Литиево-йонните батерии могат да съхраняват до 10 пъти повече енергия на клетка, ако вместо графитни се използват силиконови аноди. Но производителите не използват силикон, защото анодите от този материал деградират бързо със зареждането и разреждането на батерията.

Изследователски екипи от Технологичния институт на Джорджия и Университета Клемзън смятат, че може би са открили съставка, която ще позволи използването на силиконови аноди – обикновено свързващо вещество и хранителна добавка, извлечена от водорасли и използвана в много домакински продукти. Интересното е, че според учените този материал може не само да направи литиево-йонните батерии по ефективни, но и по-чисти и евтини за производство…

Литиево-йонните батерии съхраняват енергия като акумулират йони при анодс; по време на употреба, тези йони мигрират, чрез електролит, към катода. Обикновено анодите се правят чрез смесване на електроактивната графитна прах с полимерна спойка.  – обикновено {tooltip}PVDF{end-link}Polyvinylidene Fluoride{end-tooltip} – разтворен в {tooltip}NMP{end-link}N Methyl 2-pyrrolidone{end-tooltip} разтворител. Получената смес се разстила върху метално фолио, използвано за събиране на електрически заряд, и се изсушава.

Ако силиконови частици се използват като база за електроактивен прах, анодът на батерията ще задържа повече йони, но силиконовите частици се раздуват със зареждане на батерията, увеличавайки обема си до четири пъти първоначалния си размер. Това раздуване предизвиква напукване на PVDF спойката, повреждайки анода. В публикуван в края на миналата седмица в Science доклад, ученитете от Джорджия Тех и Клемзън демонстрират, че с използването на алгинат вместо PVDF, анодът може да увеличи обема си, без спойката да се пропука, което позволява създаването на стабилен силиконов анод. Важността на постижението се състои е това, че до този момент новата технология е демонстрирала до осем пъти по-голям капацитет в сравнение с най-добрите графитно базирани аноди.

Полимерният алгинат се прави от кафяви водорасли, включително типа, който формира гори от гигантски кафяви морски водорасли. Продуктът вече се използва широко като желираща и хранителна добавка. Първоначално, екипът от изследователи смятал да замени PVDF с комбинация от няколко различни материала. След това, теоретично, те осъзнали, че полимер с точния тип структура може да свърши всичката работа, която спойката би трябвало да върши, включително осигуряване на добра структурна поддръжка при липса на химическа реакция с електролита.

Глеб Юшин, един от изследователите и директор на Центъра за наноструктурни материали за съхранение на енергия към Джорджия Тех казва, че екипът осъзнал, че някои синтетични полимери, извлечени от растителна целулоза, имат близки но нужните структури, но не достатъчно еднородни. Затова екипът започнал да разглежда водни растения. “Помислихме си, че може би вече има полимер [който можем да използваме], защото водните растения – особено морските са потопени в електролит” и са еволюирали за предотвратяване на нежелани реакции. Екипът попаднал на алгинат, който може да се извлича чрез кипване на кафяви морски водорасли в сода (газирана вода) и който има нужната еднородна структура.

Друго предимство на алгината пред PVDF е, че при производството на анод, алгинатът може да се разтваря във вода, което елиминира нуждата от NMP, за потенциално по-чист производствен процес. Изследователите вярват, че спойката може да се интегрира лесно в съществуващите производствени процеси чрез проста замяна на PVDF и NMP елементите с алгинат и вода. Алгинатът може да се използва и за подобряване на производителността на графитно-базирани аноди, позволявайки повече зарядни и разрядни цикли в рамките на живота на батерията.

Пълният потенциал на силиконовия анод не може да се използва преди изследователските екипи да разработят съответен катод, способен да се справя със същото количество литиеви йони. Но, според Юшин, дори и със съществуващите катоди, алгинат-силиконовите аноди могат да увеличат капацитета на литиево-йонните батерии с 30 до 40 процента.

[От: Tech Review]