Российские ученые увеличили энергоемкость самых мощных в мире литий-фторуглеродных батарей. Они необходимы для устройств, способных работать без обслуживания десятки лет в разных условиях: кардио- и нейростимуляторов, беспилотных летательных аппаратов, межпланетных аппаратов, спутников, навигационных модулей и автономных датчиков в удаленных регионах.
Идеальная батарейка, какая она? Компактная, легкая, мощная, стабильная и самое главное — энергоемкая. Среди всех одноразовых, т.е. неперезаряжаемых, химических источников тока по всем параметрам лидируют литий-фторуглеродные элементы. Одна такая батарейка несет в себе в несколько раз больше энергии, чем лучшие одноразовые батареи других типов, например литий-тионилхлоридные, и превосходит по удельной энергии даже многоразовые литий-ионные аккумуляторы.
Из-за низкой деградации материалов они очень стабильны: если собрать и оставить нетронутой такую батарейку на 10 лет, она сохранит практически весь заряд. Кроме того, она гарантированно сработает в жару, на холоде и в вакууме и не потребует замены длительное время. Все это делает их незаменимыми для высокотехнологичных легких и компактных устройств.
Но есть и проблемы. Во время работы батареи на катоде образуется плотный слой побочных продуктов. Он мешает ионам лития свободно двигаться, и батарея разряжается быстрее. Чтобы нивелировать этот эффект, ученые Института электродвижения МФТИ разработали специальный состав электролита, содержащий сульфоксидную добавку.
Молекулы добавки вступают в реакцию на поверхности катода, в отличие от стандартных компонентов электролита. В итоге на катоде образуется тонкий слой продуктов, защищающий катодный материал от деградации, и через который могут двигаться ионы лития.
«Представьте, что катодный материал, как стекло смартфона, – прочный, проводящий, но дополнительная защита от повреждений сделает его только лучше. Наша добавка в электролит, как защитная наклейка на стекло смартфона, – предотвращает деградацию, но позволяет сохранять свои функции. В итоге КПД батареи повышается», — объяснила Софья Морозова, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ.
Эксперименты показали: батарея с модифицированным электролитом показала удельную емкость 875 мА·ч/г — это более чем на 3,4% выше, чем у элемента со стандартным электролитом (846 мА·ч/г).
«Эти дополнительные проценты энергии показывают, что мы научились тонко управлять процессом на границе раздела электрод-электролит и небольшими, но уверенными шагами приближаемся к теоретическому пределу батареи», — добавила Софья Морозова.
Сегодня ученые уже собрали опытные образцы элементов и в стенах лаборатории доказали их эффективность. Следующий шаг — оптимизировать составы для разных температурных режимов работы (от -60°C до +60°C), увеличить КПД и внедрить технологию в реальные устройства на примере БПЛА.
Такие батареи идеально подойдут для устройств, где важна стабильная энергия: кардио- и нейростимуляторы длительного действия, микроспутники с гарантированным сроком службы на орбите, навигационные модули спецтехники, готовые к работе после многолетнего хранения, и автономные датчики в Арктике, способные годами работать без обслуживания.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
