Фторидные батареи предлагают до 8-кратно более долгий срок службы, чем современные стандарты

• Представьте, заряжая свой ноутбук и телефон только дважды в месяц.
• Батареи на основе негативно заряженного иона фтора могут сделать это возможным.
• Впервые исследователи сделали перезаряжаемую фторидную батарею, которая нормально работает при комнатной температуре.

Поиск батарей, предлагающих высокую плотность энергии, необходимую для удовлетворения требований современных устройств, непрерывно возрастает. Плотность энергии зависит от количества электронов, переданных в реакции, разности потенциалов между анодом и катодом, объема ячейки и постоянной Фарадея.

Учитывая все эти факторы, исследователи из Калифорнийского технологического института разработали новый метод производства перезаряжаемых батарей на основе фторида — негативно заряженного иона фтора.

Технология имеет потенциал устранить необходимость заряжать ваш ноутбук или телефон каждый день. Фактически, она может сократить это требование до всего двух раз в месяц. Поскольку плотность энергии в фторидных батареях относительно выше, чем в литий-ионных, они могут служить до 8 раз дольше. Однако они крайне реактивны, коррозивны и сложны в работе.

Перезаряжаемые фторидные батареи

Это не первый раз, когда кто-то экспериментировал с фторидными батареями. В 1970-х ученые пытались разработать перезаряжаемые фторидные батареи с использованием твердых модулей. Но поскольку твердотельные батареи требуют высоких температур для правильной работы, они не могут использоваться для повседневных целей.

Теперь исследователи нашли способ заставить эти батареи работать при комнатных температурах, используя жидкие модули. Они смогли сделать первую перезаряжаемую фторидную батарею, которая нормально работает при комнатной температуре.

Батарея обеспечивает электрические токи путем дрейфа ионов между катодом (положительным) и анодом (отрицательным) электродом. В жидком растворителе (используемом в литий-ионных батареях) ионы дрейфуют легче при комнатной температуре.

Источник: ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 | Caltech

В то время как литий-ионные батареи используют положительные ионы (катионы), фторидная батарея, разработанная в этом исследовании, несет отрицательный заряд (анионы). Есть несколько преимуществ использования анионов в батареях, но у них есть свои проблемы.

Заряженные атомы перемещаются между анодом и катодом с помощью жидкого электролита | Источник: Brett Savoie/Purdue University

Чтобы батареи служали дольше, нужно перемещать большое количество ионов. Перемещение положительно заряженных ионов (катионов) довольно трудно, но похожий результат можно получить путем перемещения отрицательных ионов (анионов), которые перемещаются с относительной легкостью. Главная проблема с этим механизмом — заставить систему работать при адекватном напряжении.

Результаты

В этом исследовании исследователи показали, что многовалентные реакции фторидной конверсии имеют высокие термодинамические потенциалы реакции (более 3 вольт) и объемные емкости (более 1000 Ач/литр). Следовательно, фторидные батареи обеспечивают теоретические плотности энергии до 5000 Вт·ч/литр, как минимум в 8 раз теоретические значения для существующих литий-ионных технологий.

Ключевой компонент, который заставил фторидные батареи нормально работать в жидкости (вместо твердого тела), — электролитная жидкость под названием bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE для краткости). Она держит фторид-ион стабильным, чтобы он мог легко двигать электроны туда-обратно в батарее.

Фторид-ион (розовый), окруженный молекулами BTFE | Источник: Brett Savoie / Purdue University

Но почему это решение сработало; какая характеристика BTFE стабилизировала фторид? Чтобы найти ответ, исследователи обратились к компьютерным симуляциям. Они изменили раствор BTFE и обнаружили, что можно улучшить его стабильность и производительность, модифицируя его с добавками.

Читайте также: Магний-ионные батареи более эффективны и безопаснее, чем литий

Результаты показывают, что исследователи разблокировали интересную технику разработки более долговечных батарей. Не будет неправильно сказать, что фторидные батареи возвращаются.