Новый литий-ионный аккумулятор мощнее и безопаснее

Главная » Наука и образование » Новости образования » Новый литий-ионный аккумулятор мощнее и безопаснее

Литий-ионные аккумуляторы являются значительным технологическим достижением по сравнению со свинцово-сернокислотными аккумуляторами, существовавшими еще с 1850-х годов. Небольшая масса, высокая плотность энергии и медленная саморазрядка при их «простое» сделали литий-ионные аккумуляторы самым распространенным типом источников питания для электроники.

Литий-ионные аккумуляторы с кобальтовыми катодами позволяют запасать вдвое больше энергии, чем никелевый аккумулятор, и в четыре раза больше, чем свинцовый аккумулятор. Несмотря на то, что большинство потребительской и иной электроники в настоящее время приводится в действие литий-ионными аккумуляторами, у этих источников питания есть свои недостатки. Существующая технология производства уже достигла теоретически предсказанного предела плотности энергии литий-ионных аккумуляторов, а их перегревание может привести к воспламенению, что тоже является серьезной проблемой.

Только в США с 2002 года зарегистрированы отзывы из розничной сети для не менее, чем 40 моделей электронных устройств – все эти отзывы связаны с повышенным риском возгорания литий-ионного источника питания такого устройства.

Исследователи из ряда исследовательских организаций и университетов Южной Кореи смогли получить новый литий-ионный аккумулятор, используя в качестве основы пористое твердое вещество, которое значительно и увеличивает производительность аккумулятора, и снижает риск перегревания.

Корейские исследователи решили использовать полностью новый подход для получения нового типа источников питания. Как отмечает один из участников исследования Кимун Ким (Kimoon Kim), он и его коллеги уже изучали высокую анизотропию протонной проводимости в пористом материале кукурбит[6]уриле (CB[6] ) который предполагалось использовать в качестве электролита топливных электроячеек. Было высказано предположение, что транспорт ионов лития в пористом CB[6] будет протекать более безопасно, чем в существующих пористых материалах, использующихся в качестве электролитов в классических литий-ионных источниках питания. Существующая технология литий-ионных аккумуляторов, основанная на интеркалированном в электролит литии, в основном работает хорошо, однако для увеличения требований к электронным устройствам, от которых ожидается более продолжительная работа и меньший вес, необходимо изучение новых типов электролитов.

Ключом к свойствам нового источника питания является расположение молекул CB[6], которые организованы в гребнеобразную супрамолекулярную структуру. Такая структура формирует очень узкий одномерный канал шириной около 7,5 Ангстрем [диаметр отдельного иона лития составляет 0,76 Ангстрем]. Структура пористого CB[6] приводит к тому, что в новом источнике питания ион лития диффундирует свободнее, чем в обычных литий-ионных аккумуляторах.

Во время испытаний твердый пористый электролит CB[6] продемонстрировал отличную проводимость ионов лития. Для ее сравнения с существующими электролитами исследователи измеряли величину переноса лития (tLi+), которая для нового электролита оказалось равной 0.7-0.8 единиц, в то время как для существующих электролитов она равняется 0.2-0.5 единиц. Экспериментальные аккумуляторы также нагревали до 100°С, что гораздо выше 80°С – типичной верхней температуры нагрева для обычных литий-ионных аккумуляторов. Также экспериментальные источники питания подвергали циклическому изменению температуры от 25°С до 100°С в течение четырех дней, и после каждого цикла результаты показывали, что для нового типа аккумулятора нехарактерен уход рабочего параметра из-за изменения температуры, а электропроводность электролита не изменяется.

Исследователи предполагают, что в структуру пористого CB[6] могут быть инкорпорированы и другие электролиты, а значит разработанная технология может быть использована и для изготовления других типов источников питания.

Источник: Chem. Commun., 2015; 51 (45): 9313 DOI: 10.1039/c5cc02581h