Недорога, висока місткість і швидкість: нова технологія алюмінієвих акумуляторів обіцяє все

Розгорнути Ауріх Лоусон | Getty Images

Класична іронія нових технологій полягає в тому, що користувачі змушені обмежуватися двома з трьох речей, які всі хочуть: швидко, дешево та добре. Коли технологія – це акумуляторна технологія, адаптація стає ще складнішою. Дешевий і швидкий (зарядка) все ще має значення, але «добре» може означати різні речі, як-от легка вага, малий об’єм або довгий термін служби, залежно від ваших потреб. І все ж такі компроміси залучені. Якщо ви хочете справді швидко заряджатися, вам, ймовірно, доведеться відмовитися від деякої ємності.

Ці компроміси дозволяють продовжувати дослідження альтернативної хімії батарей, незважаючи на величезну перевагу літію з точки зору технології та виробничих можливостей. Завжди є надія, що інша хімія може призвести до різкого падіння ціни або певного різкого зростання. продуктивність.

Сьогодні опубліковано статтю, яка, здається, пропонує низьку ціну в поєднанні зі значним підвищенням кількох із цих заходів. Алюмінієво-сірчані батареї, які він описує, пропонують низьку кількість сировини, конкурентоспроможний розмір і більшу ємність на вагу, ніж літій-іонні, з великою перевагою повної зарядки елементів менш ніж за хвилину. Єдина очевидна проблема, з якою він зараз стикається, полягає в тому, що він має працювати при температурі 90°C (близько точки кипіння води).

Люди вже деякий час думають про акумулятори на основі алюмінію, приваблені їх високою теоретичною ємністю. Хоча кожен атом алюмінію трохи важчий за літій, атоми й іони алюмінію фізично менші, оскільки вищий позитивний заряд ядра трохи притягує електрони. Крім того, алюміній легко віддає три електрони на атом, а це означає, що ви можете перенести багато заряду для кожного задіяного іона.

Велика проблема полягає в тому, що з хімічної точки зору алюміній трохи поганий. Багато сполук алюмінію дуже нерозчинні у воді, їх оксиди надзвичайно стійкі тощо. Легко вивести з ладу батарею після кількох циклів заряджання/розряджання. Тож поки робота тривала, високі теоретичні можливості часто здавалися такими, яких ніколи не досягти на практиці.

Ключем до нової роботи було усвідомлення того, що ми вже вирішили одну з великих проблем із виготовленням алюмінієвого металевого електрода; ми щойно зробили це в зовсім іншій області. Електроди з чистого металу пропонують значні покращення в простоті та об’ємності, оскільки тут немає справжньої хімії, і вам не потрібні додаткові матеріали для введення в них іонів металу. Але метал, як правило, нерівномірно осідає на електродах батареї, врешті-решт утворюючи шипи, які називаються дендритами, які ростуть, доки не пошкодять інші компоненти батареї або взагалі замкнуть елемент. Тож виявити, як рівномірно нанести метал, було важко.

Основним усвідомленням тут є те, що ми вже знаємо, як рівномірно наносити алюміній. Ми робимо це постійно, коли хочемо оцинкувати алюміній на інший метал.

Це часто робиться за допомогою розплавленої солі хлориду алюмінію. У розплавлених солях іони алюмінію та хлору мають тенденцію утворювати довгі ланцюжки атомів, що чергуються. Коли алюміній осідає на поверхні, він прагне вийти з центру цих ланцюгів, а фізична маса решти ланцюга полегшує це на плоскій поверхні.

У розплавленій солі іони алюмінію також можуть швидко переходити від електрода до електрода. Велика проблема полягає в тому, що хлорид алюмінію плавиться лише при 192 ° C. Але змішування невеликої кількості хлориду натрію та хлориду калію знизило його до 90 ° C – нижче точки кипіння води та сумісне з більш широким спектром додаткових матеріалів. /p> сіль бутерброд

Завдяки цьому дослідники мали дві третини батареї. Одним електродом був металевий алюміній, а електролітом – рідкий хлорид алюмінію. Це залишає другий електрод для ідентифікації. Тут було багато прикладів зберігання алюмінію як хімічної сполуки з елементами нижче кисню в періодичній таблиці, такими як сірка або селен. Для отримання зображень команда працювала з селеном, створивши експериментальний елемент батареї та підтвердивши, що він поводився належним чином.

Зображення алюмінію показало, що після певного циклу заряду та розряду...