Недорогой, большой емкости и быстрый: новая технология алюминиевых аккумуляторов обещает все

Развернуть Аурих Лоусон | Гетти Изображений

Существует классическая ирония с новыми технологиями, что последователи вынуждены ограничивать себя двумя из трех вещей, которые все хотят: быстро, дешево и хорошо. Когда технология представляет собой аккумуляторную технологию, внедрение становится еще более сложным. Дешево и быстро (зарядка) по-прежнему имеет значение, но «хорошо» может означать разные вещи, например, легкий вес, малый объем или долгий срок службы, в зависимости от ваших потребностей. Тем не менее, речь идет о тех же компромиссах. Если вам нужна действительно быстрая зарядка, вам, вероятно, придется отказаться от части емкости.

Эти компромиссы позволяют продолжать исследования альтернативных химических элементов аккумуляторов, несмотря на огромное преимущество лития с точки зрения технологий и производственных возможностей. Всегда есть надежда, что другая химия может привести к резкому падению или резкому увеличению цены в какой-то степени. производительность.

Сегодня опубликована статья, в которой предлагается низкая цена в сочетании со значительным повышением некоторых из этих показателей. Алюминиево-серные батареи, которые он описывает, предлагают низкое сырье, конкурентоспособный размер и большую емкость на единицу веса, чем литий-ионные, с большим преимуществом полной зарядки элементов менее чем за минуту. Единственная очевидная проблема, с которой он сейчас сталкивается, заключается в том, что для его работы требуется температура 90 °C (близкая к температуре кипения воды).

Люди уже давно думают об батареях на основе алюминия, привлеченных их высокой теоретической емкостью. Хотя каждый атом алюминия немного тяжелее лития, атомы и ионы алюминия физически меньше, потому что более высокий положительный заряд ядра немного притягивает электроны. Кроме того, алюминий легко отдает три электрона на атом, а это значит, что вы можете перемещать большой заряд на каждый вовлеченный ион.

Большая проблема заключается в том, что химически алюминий немного отстой. Многие соединения алюминия плохо растворимы в воде, их оксиды чрезвычайно устойчивы и т. д. Для чего-то, что должно быть незначительной побочной реакцией, легко вывести аккумулятор из строя после нескольких циклов зарядки/разрядки. Поэтому, пока работа продолжалась, высокие теоретические возможности часто казались чем-то, что никогда не будет достигнуто на практике.

Ключом к новой работе было осознание того, что мы уже решили одну из больших проблем с изготовлением металлического алюминиевого электрода; мы только что сделали это в совершенно другой области. Электроды из чистого металла предлагают большие улучшения в простоте и объеме, потому что в них не используется настоящая химия, и вам не нужны никакие дополнительные материалы для введения в них ионов металлов. Но металл имеет тенденцию неравномерно откладываться на электродах батареи, в конечном итоге образуя шипы, называемые дендритами, которые растут до тех пор, пока не повредят другие компоненты батареи или полностью не закорачивают элемент. Поэтому выяснить, как равномерно наносить металл, было большой проблемой.

Ключевым моментом здесь является то, что мы уже знаем, как равномерно наносить алюминий. Мы делаем это постоянно, когда хотим гальванизировать алюминий на другой металл.

Это часто делается с использованием расплавленной соли хлорида алюминия. В расплавленной соли ионы алюминия и хлора имеют тенденцию образовывать длинные цепочки чередующихся атомов. Когда алюминий наносится на поверхность, он имеет тенденцию выходить из центра этих цепочек, а физическая масса остальной части цепи облегчает это на плоской поверхности.

В расплавленной соли ионы алюминия также могут быстро перемещаться от электрода к электроду. Большая проблема заключается в том, что хлорид алюминия плавится только при 192 ° C. Но смешивание небольшого количества хлорида натрия и хлорида калия привело к снижению температуры до 90 ° C — ниже точки кипения воды и совместимости с более широким спектром дополнительных материалов. /p> бутерброд с солью

При этом у исследователей было две трети батареи. Один электрод представлял собой металлический алюминий, а электролит — жидкий хлорид алюминия. Это оставляет второй электрод для идентификации. Здесь было много примеров хранения алюминия как химического соединения с элементами ниже кислорода в периодической таблице, такими как сера или селен. В целях визуализации команда работала с селеном, создавая экспериментальный элемент батареи и подтверждая, что он ведет себя так, как ожидалось.

Визуализация алюминия показала, что после определенного цикла зарядки и разрядки...