Новые аккумуляторы в 10 раз мощнее литий ионных и не взрываются

Ученые из США представили гибкую батарейку, которая в 10 раз мощнее, чем литий-ионные аналоги. Ее можно использовать в устройствах интернета вещей.

Читайте «Хайтек» в

Команда исследователей разработала гибкую перезаряжаемую батарею из серебра, оксида и цинка с плотностью энергии в 5-10 раз больше, чем у современных аналогов. Батарею проще изготовить — большинство из них в производстве нуждаются в вакууме, но в этом случае ее можно отпечатать с помощью трафаретной печати в обычных лабораторных условиях.

Устройство можно использовать в гибкой, растягивающейся электронике, для носимых материалов, а также в мягкой робототехнике. Команда исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего и компании ZPower подробно описали свою разработку в научном журнале Joule.

Мощность этой батареи составляет 50 миллиампер на квадратный сантиметр при комнатной температуре — это в 10-20 раз больше, чем мощность типичной литий-ионной батареи. Таким образом, она может обеспечить в 5-10 раз большую мощность.

Новая батарея обладает большей емкостью, чем любая из гибких батарей, доступных на рынке. Ученые объясняют это тем, что у батареи гораздо меньшее сопротивление. Чем ниже этот показатель, тем выше производительность.

«По мере быстрого роста рынка 5G и интернета вещей (IoT), эта батарея, которая превосходит коммерческие продукты в сильноточных беспроводных устройствах, скорее всего, будут основным претендентом на источник питания следующего поколения для потребительской электроники», — отметил Джонатан Шарф, соавтор статьи и разработки.

Печатные элементы батареи перезаряжали 80 раз, но они не показывали существенные признаки потери емкости. Ячейки также оставались функциональными, несмотря на многократные изгибы и скручивания.

Читать также:

Химики СПбГУ создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.

Как измерить внутреннее сопротивление литиевого аккумулятора

Химики СПбГУ создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного

Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.

Эти аккумуляторы в 10 раз мощнее литий-ионных и не взрываются

По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.

Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.

Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда.

Профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

«Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.

Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда.

Профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.

Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет.

Новые аккумуляторы в 10 раз мощнее литий ионных и не взрываются

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

iGuides для смартфонов Apple

Аккумулятор нового типа вмещает в себя в 10 раз больше энергии

Александр

Александр Кузнецов — 8 декабря 2020, 16:30

Аккумулятор

Китайские учёные разработали аккумулятор принципиально нового типа. Он способен вмещать в себя в 10 раз больше энергии, чем распространённые литий-ионные батареи при сохранении тех же габаритов и массы.

Токосъемник, цинковый анод, катод и сепаратор нанесены несколькими слоями на химически стабильную полимерную пленку с помощью трафаретной печати. В катоде аккумулятора используется покрытие из оксида свинца, которое позволяет увеличить электропроводимость и долговечность накопителя энергии. Температура плавления материалов составляет приблизительно 200 °C, то есть даже при сильном нагреве во время зарядки аккумулятор остаётся относительно безопасным. Максимальная ёмкость этого аккумулятора около 50 мАч на квадратный сантиметр.

Конечно, не обошлось без недостатков. Из-за конструктивных особенностей невозможно создать аккумулятор высокой ёмкости для использования в смартфонах, планшетах, ноутбуках, электросамокатах и электромобилях. Его применение может быть ограничено только относительно небольшими гаджетами, вроде смарт-часов, фитнес-браслетов и различных датчиков, потребляющих очень мало энергии. К положительным моментам можно отнести то, что такой аккумулятор может быть гибким и почти не занимает место. То есть его, к примеру, можно разместить в ремешке часов с тонким корпусом.

Химики создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в 10 раз быстрее литий-ионного

Химики создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в 10 раз быстрее литий-ионного

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда. Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.

Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

«Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», — отмечает Олег Левин.

Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который необязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.

Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 16-13-00038.

Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ

Какой аккумулятор заряжается в 10 раз быстрее литий-ионного

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.

Василий Макаров

Российские ученые синтезировали полимерные материалы, которые помогут ускорить зарядку аккумуляторов в разы и сделать их более безопасными для окружающей среды

Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.

Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда. Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.

Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries Supercaps.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

«Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40% по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», — отмечает Олег Левин.

Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.

Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет.

Какие аккумуляторы для смартфонов лучше

Наверняка вы слышали о чудодейственных свойствах кремниевых аккумуляторов. Якобы при идентичных площади и весе они вмещают до 10 раз больше энергии, нежели традиционные литий-ионовые решения. Кроме того, они устойчивы к перепадам температур. Соответственно, на холоде они не будут терять свою емкость, разряжая смартфон в ноль и провоцируя его отключение. А серьезные нагрузки по типу быстрой зарядки не нагреют их настолько сильно, как аккумуляторы других аппаратов, провоцируя преждевременный износ.

⚡️ПОДПИСЫВАЙСЯ НА НАШ КАНАЛ В ДЗЕНЕ И ЧИТАЙ ЛУЧШИЕ СТАТЬИ НАШИХ АВТОРОВ БЕСПЛАТНО

Единственный минус этого элемента — повышенная склонность к расширению. Кремниевые детали могут увеличиваться в три раза от своего изначального размера. Поэтому применять их в современных смартфонах абсолютно противопоказано: они просто выдавят все остальные компоненты. Но Honor нашла способ воспользоваться преимуществами кремниевых аккумуляторов, исключив риск их расширения и повреждения смартфонов.

Смартфоны Honor с кремниевой батареей

Смартфоны Honor с кремниевой батареей. Honor сделала кремниевым только анод аккумулятора. Фото: GSMArena. Фото.

Honor сделала кремниевым только анод аккумулятора. Фото: GSMArena

Для этого инженеры компании перевели аккумуляторы на кремниевую основу не полностью. Они просто добавили этот элемент в структуру АКБ, в результате повысив и их емкость, и устойчивость к перепадам температур. Первая батарея такого типа применялась еще в Honor Magic 5 Pro, но это особенно не афишировали, поскольку апгрейд коснулся только избранных моделей. Однако за год компания обкатала новую технологию и оснастила аккумулятором на кремниевой основе все смартфоны Honor Magic 6 Pro, а также Honor Magic V2.

⚡️ПОДПИСЫВАЙСЯ НА ТЕЛЕГРАМ-КАНАЛ СУНДУК АЛИБАБЫ. ТАМ КАЖДЫЙ ДЕНЬ ВЫХОДЯТ ПОДБОРКИ ЛУЧШИХ ТОВАРОВ С Алиэкспресс

Поскольку сама технология производства АКБ нового поколения отличается от привычных литий-ионных аккумуляторов, инженерам Honor пришлось переосмыслить то, как он будет взаимодействовать со своей батареей. Поскольку весь аппаратный комплекс смартфона ориентирован на «классику», его пришлось оснастить отдельным чипом E1.

uBeam — зарядка по воздуху

uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.

StoreDot

Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

  • Блог компании VK
  • Гаджеты
  • Энергия и элементы питания
Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий