Алюминий-графеновая батарея: зарядка за 5 секунд, работа от –40 °C до 120 °C, 250 000 циклов

• Инженеры создали новую батарею, работающую в диапазоне от –40 °C до 120 °C, заряжающуюся за 5 секунд.
• Она сохраняет 91 % емкости после 250 000 циклов зарядки-разрядки.
• Батарея невероятно гибкая — выдерживает 10 000 изгибов.

Инженеры Цзяньцзянского университета (Китай) разработали ультрабыструю, всепогодную алюминий-графеновую батарею с длительным циклом службы, демонстрирующую превосходную производительность, особенно в скорости зарядки. При запуске коммерческого производства батарею можно будет полностью зарядить за 5 секунд, чего хватит на две часа работы.

Исследователи заявляют, что батарея более устойчива к холоду, менее воспламеняема и работает в диапазоне от –40 °C до 120 °C. Однако ряд отраслевых экспертов скептически относятся к этим заявлениям.

Отрицательный полюс сделан из алюминия, положительный — из графена. Батарея сохраняет 91 % емкости после четверти миллиона циклов — значительно лучше современных литиевых. Она создана для энергоустройств в любых климатических условиях и обладает замечательной гибкостью, выдерживая 10 000 изгибов.

При интеграции со смартфонами зарядка займет 5 секунд на 2 часа работы. Батарея прослужит до 70 лет без потери емкости даже при зарядке телефона 10 раз в день.

Конструкция и характеристики

Для создания катодного материала алюминий-ионной батареи выбрали графит, графен, серу и сульфиды металлов. Графитовый углерод обеспечивает быструю зарядку и стабильное циклирование. Для углеродного катода инженеры учли четыре требования:

1. Высококристаллическая графеновая решетка.
2. Непрерывная электронно-проводящая матрица для транспорта больших токов и снижения внутренней поляризации.
3. Высокая механическая прочность и модуль Юнга для предотвращения коллапса материала.
4. Связные каналы, обеспечивающие высокую проницаемость электролита и ионную диффузию.

Для выполнения этих условий создали идеальную графеновую пленку методом мокрой прядки или литьевого напыления раствора жидкокристаллического оксида графена (GO) с последующей химической редукцией в редуцированный GO (rGO) и высокотемпературным отжигом.

Идеально выровненные графеновые слои обеспечивают более высокую электрическую проводимость и механические свойства, чем графеновые пены из неориентированных слоев. Пленка rGO дополнительно отжигалась при 2850 °C для восстановления атомных дефектов, превращаясь в длинную непрерывную серебристую графеновую пленку.

Производительность батареи в основном зависит от скорости движения электронов и ионов между электродами. Электродный материал должен обеспечивать максимально свободное перемещение заряженных частиц. Если «дорога» перегружена, производительность падает. Поэтому критически важны качество, ориентация и пористость микроструктур, а также проводимые сети, ионно-транспортные и ионные каналы в макроструктуре.

Источник: Sciencemag | DOI: 10.1126/sciadv.aao7233 | Цзяньцзянский университет

Этот дизайнерский принцип позволил алюминий-графеновой батарее сделать огромный шаг вперед и продемонстрировать удивительную производительность. Ранее емкость алюминиевых батарей держалась около 60 мАч/г, а циклов зарядки-разрядки — менее тысяч.

Батарея запитала светодиод ZJU-120 | Источник изображения: Цзяньцзянский университет

После тестирования графеновый положительный электрод показал емкость 120 мАч/г, сохранив 91 % емкости после 25 миллионов циклов. Одновременно быстрая зарядка занимала 1,1 секунды с обратимой емкостью 111 мАч/г.

Некоторые эксперты не впечатлены результатами

По мнению отраслевого эксперта Чжэн Цзяту, зам. директора по технологиям зарядки электромобилей в Китае, опубликованные командой результаты не выглядят многообещающими. «Цифры нужно читать с осторожностью», — даже тестирование 250 000 циклов заняло бы очень много времени. Результаты скорее получены на смоделированных данных, чем на прототипе.

Кроме того, коммерциализация требует решения ряда неясных вопросов: ценово-качественное соотношение, удельная энергия, безопасность, надежность и зрелая бизнес-модель. Существует множество других проверенных технологий, которые еще не достигли коммерческого этапа.

Читайте также: Магниевые-ионные батареи эффективнее и безопаснее литиевых

Однако исследовательская команда признает, что впереди еще долгий путь и множество препятствий. Они считают свою «супер» батарею лучше литий-ионных, но требуется много улучшений. Кроме того, традиционный ионный жидкий электролит довольно дорог — если удастся найти более дешевые электролиты, деловые возможности для алюминий-ионных батарей значительно расширятся.