Алюмінієвий акумулятор нового покоління: який він є?
Щойно люди дізналися про електрику і відчули, що вона може приносити користь, винахідники з усього світу почали шукати нові способи та джерела одержання енергії, а потім захотіли її зберігати в одному певному місці. Але останні 30 років виявилися особливими у пошуку ємностей - prima алюміній-іонний акумулятор був розроблений вченими зі Стенфордського університету. Світова громадськість відразу зацікавилася його здатністю до швидкої зарядки і при цьому невеликої собівартості. За словами творців, нова розробка здатна стати безпечною альтернативою широко поширеним сьогодні літій-іонним батареям, а також шкідливим для здоров'я лужним АКБ.
Чим вони кращі за інші – давайте порівнювати
Найбільшим попитом у сучасному світі зараз користуються вже згадані нами літій-іонні батареї і це не дивно, оскільки такі АКБ мають низку переваг:
- висока щільність;
- невеликий саморозряд – на місяць трохи більше 4-6%;
- працездатність при температурі від -20 ° C до +50 ° C;
- невелика маса;
- цикли розряд-заряд близько 1000 разів.
При всіх своїх безперечних перевагах літій-іонні акумулятори мають дві істотні недоліки, на які просто неможливо заплющувати очі:
- висока вартість;
- вибухонебезпечність та схильність до самозаймання у певних умовах.
Звичайно, неприємно, коли такі чудові параметри просто перекреслюються якимось прихованим або відкритим недоліком, але нічого не вдієш – людина та її твори далекі від досконалості.
А що ж є алюмінієво-іонний акумулятор зі Стенфорда, крім запевнень його творців у тому, що це безпечна альтернатива літієвій АКБ? Звичайно, таких ємностей на даний момент немає у широкому продажу і поки що все на рівні експерименту, готового до переходу на комерційно-промисловий рівень. Отже, ми можемо задовольнятися лише аналізами та запевненнями авторитетних експертів із не менш авторитетних наукових організацій. Тому тут доречно нагадати тим, хто вже читав або розповісти тим, хто ще не знає, що професор Дай Хонгжі запевнив усіх у тому, що загоряння алюмінієвого акумулятора неможливо навіть у тому випадку, якщо його просвердлити наскрізь. Такої ж думки дотримуються і його колеги з розробки, які кажуть, що це абсолютно новий тип АКБ, що надшвидко перезаряджається.
Крім пожежної безпеки приладу в числі його переваг, яких немає у популярної літієвої батареї, сюди ще включається низька вартість і можливість створювати велику електричну ємність. З цих причин алюміній, як елемент, вже давно почав привертати увагу різних дослідників, і майже 30 років було витрачено на розробку життєстійкого приладу в плані його вартості - алюміній-іонного акумулятора.
На даному етапі така батарея здатна виробляти найбільш стійку напругу після великої кількості циклів розряду-заряду порівняно з літій-іонним накопичувачем. Не зайвим буде також відзначити, що професор Патрік Йохансон з університету Чалмерса в Швеції згадав про те, що нові алюміній-іонні батареї мають подвоєну енергоємність порівняно з уже відомими алюмінієвими АКБ, представленими на ринку електротоварів.
Чого вдалося досягти
Перешкод на шляху створення акумулятора нового покоління було достатньо і, крім усіх інших, можна назвати такі:
- розпад матеріалу катода;
- слабкі показники розряду осередку (0,53 V);
- швидку втрату ємності;
- низький цикл заряду-розряду – після 100 життєвих циклів втрата потужності батареї становила вже 25-85%.
Ці проблеми вдалося вирішити - дослідники отримали зовсім новий варіант АКБ на основі відомого всім алюмінію. Її характерною рисою можна назвати високу стабільність заряду, на що вплинув алюмінієвий анод у поєднанні з катодом із тривимірної графітової піни. Звичайно, до такого рішення дійшли не відразу: спочатку були протестовані різні матеріали для катода і варіант з графітом був абсолютно несподіваним. Група Хонгжи Дайя шляхом досліджень визначили кілька типів матеріалу з графіту, здатних підтримувати не бачену раніше продуктивність.
Експеримент у Стенфордському університеті проходив так: у м'який полімерний пакет помістили такі елементи:
- алюмінієвий анод;
- графітовий катод;
- безпечний іонний електроліт, що в основному складається з сольових розчинів.
Корисне відео
Ось до такого імпровізованого алюміній-іонного акумулятора, як на верхній фотографії, підключили лампочку і просвердлили пакет, що служить експериментальним корпусом, але лампочка і не подумала гаснути. Тобто після такого серйозного механічного пошкодження, як пробоїна, батарея ще якийсь час повністю функціонуватиме і при цьому не загориться - такого не вдавалося домогтися ще з жодної АКБ.
Ще одним суттєвим досягненням, яке також можна назвати проривом у цій сфері, є надзвичайно швидка зарядка. Порівнюючи, можна уявити літієву батарею будь-якого сучасного смартфона: для стовідсоткового набору ємності в середньому знадобиться приблизно 4 години (найчастіше ми їх залишаємо підключеними на ніч), а от алюміній-іонна АКБ набере ці 100% протягом однієї хвилини. Тобто швидкість збільшується не в десятки, а в кілька сотень разів! Порівняйте 4 аси та 1 хвилину: 4*60/1=240.
Окремо можна поговорити про тривалість експлуатації акумулятора, про який навіть не могли подумати. Найкраща на сьогодні, поставлена на промислові рейки літій-іонна батарея, яка має 1000 циклів розряду-заряду, досі вважалася найжиттійшою з усіх відомих ємностей. Але алюмінієве ноу-хау збільшило цю межу у 7,5 разів, і тепер експлуатаційний ресурс АКБ становитиме 7500 циклів, і це було лише на початку експерименту! Вражає, чи не так?
Серед безлічі примітних особливостей та переваг алюміній-іонних батарей можна відзначити гнучкість корпусу. Тобто акумулятор не боїться деформації, отже його можна використовувати для гнучких гаджетів вже зараз, а згодом знайдуться й інші потенційні споживачі.
На даний момент перспективи великомасштабного використання батарей з такою анодно-катодною парою бачаться в резервуванні електроенергії для її подальшого використання на різних стратегічних та космічних об'єктах. Тим більше, що останні дані говорять про можливість циклічних розрядів-зарядів у десятки тисяч разів! Чи буде це межею, ще невідомо.
Зараз масово використовують елементи АА та їх зменшену версію ААА, які мають напругу 1,5 V, але алюміній-іонний акумулятор таких же розмірів здатний генерувати напругу 2 V. Виходить, що тут алюміній перестрибнув сам себе – ще ніколи алюмінієві ємності не мали таких показників .
Наразі розробники батареї нового покоління впевнені, що сьогоднішні показники ще не є межею можливостей і це ноу-хау матиме продовження. Сам Хонгжі Дай говорить про те, що покращення катодного матеріалу (графітного порошку) призведе до ще більшого збільшення напруги та щільності заряду АКБ. Такі прилади приречені на успіх уже тим, що алюміній кращий за літій, як носій заряду, оскільки він багатовалентний, і кожен іон компенсує кілька електронів.
Корисне відео
Висновок
Що б не говорили з приводу алюмінієвих акумуляторів і як би до них не належали, на даний момент основна мета розробників досягнута. Вони найдешевші за матеріалами виготовлення перед літієвими АКБ, мають підвищену безпеку, високошвидкісну зарядку, тривалий експлуатаційний ресурс. Цього цілком достатньо, щоб визначити, що майбутнє саме за цими батареями.
