Фторидные батареи могут прослужить в 8 раз дольше, чем те, которые используются сегодня

• Представьте, что вы заряжаете свой ноутбук и телефон всего два раза в месяц.
• Батареи на основе отрицательно заряженного иона фтора могут сделать это возможным.
• Исследователи впервые создали перезаряжаемую батарею на основе фтора, которая нормально работает при комнатной температуре.

Поиск аккумуляторов с высокой плотностью энергии, необходимой для удовлетворения требований современных устройств, постоянно увеличивается. Плотность энергии зависит от количества электронов, переданных в реакции, разницы потенциалов между анодом и катодом, объема ячейки и постоянной Фарадея.

Учитывая все эти факторы, исследователи из Калифорнийского технологического института разработали новый метод производства аккумуляторных батарей на основе фтора - отрицательно заряженного иона фтора.

Эта технология может избавить ваш ноутбук или телефон от ежедневной зарядки. Фактически, это можно было бы сократить до двух раз в месяц. Поскольку плотность энергии у фторидных батарей относительно выше, чем у литий-ионных батарей, они могут служить до 8 раз дольше. Тем не менее, они очень реактивны, вызывают коррозию и с ними сложно работать.

Исследуемые фторидные батареи

Это не первый случай, когда кто-то экспериментирует с фторидными батареями. В 1970-х годах ученые попытались разработать перезаряжаемые фторидные батареи с использованием твердотельных модулей. Но поскольку твердотельные батареи требуют высоких температур для нормальной работы, их нельзя использовать в повседневной жизни.

Теперь исследователи выяснили, как заставить эти батареи работать при комнатной температуре, используя жидкие модули. Им удалось создать первую перезаряжаемую батарею на основе фтора, которая нормально работает при комнатной температуре.

Батарея обеспечивает электрические токи за счет дрейфа ионов между катодным (положительным) и анодным (отрицательным) электродом. В жидком растворе (используется в литиевых батареях) ионы легче дрейфуют при комнатной температуре.

Ссылка:ScienceMag | doi:10.1126 / science.aat7070 | Калтех

В то время как литиевые батареи используют положительные ионы (катионы), фторидные батареи, разработанные в этом исследовании, имеют отрицательный заряд (анионы). Использование анионов в батареях дает несколько преимуществ, но у них есть свои проблемы.

Атомы заряда, перемещающиеся между анодом и катодом с помощью жидкого раствора электролита | Предоставлено:Бретт Савойя / Университет Пердью

Чтобы батареи прослужили дольше, нужно переместить большое количество ионов. Перемещение положительно заряженных ионов (катионов) довольно сложно, но аналогичный результат можно получить, перемещая отрицательные ионы (анионы), которые перемещаются относительно легко. Основная проблема с этим механизмом - заставить систему работать при соответствующем напряжении.

Результаты

В этом исследовании исследователи показали, что реакции конверсии многовалентного фторида имеют высокий термодинамический потенциал реакции (более 3 вольт) и объемную емкость (более 1000 Ач / литр). Таким образом, фторидные батареи обеспечивают теоретическую плотность энергии до 5000 Втч / л, что как минимум в 8 раз превышает теоретические значения для существующих литий-ионных технологий.

Ключевым компонентом, который заставляет фторидные батареи правильно работать в жидкости (а не в твердом состоянии), является жидкий электролит, называемый бис (2,2,2-трифторэтиловым) эфиром (сокращенно BTFE). Он поддерживает стабильность фторид-иона, поэтому он может легко перемещать электроны в батарее вперед и назад.

Ион фтора (розовый) в окружении молекул BTFE | Предоставлено:Бретт Савойя / Университет Пердью

Но почему это решение сработало; какая характеристика БТФЭ стабилизировала фторид? Чтобы найти ответ, исследователи воспользовались компьютерным моделированием. Они изменили раствор БТФЭ и обнаружили, что его стабильность и характеристики можно улучшить, модифицировав его с помощью добавок.

Прочтите:магниево-ионные батареи более эффективны и безопасны, чем литиевые

Результаты показывают, что исследователи открыли интересный метод разработки батарей с более длительным сроком службы. Не будет неправильно сказать, что фторидные батареи возвращаются.