Шаг к быстрой зарядке батарей: Ученые вплотную приблизились к цели

Шаг к быстрой зарядке батарей: Ученые вплотную приблизились к цели

Группе специалистов из Университетов Бата и Иллинойса, что находится в Чикаго, удалось найти дешевый способ мгновенного пополнения заряда.

US_Scientists_Found_Cheap_Way_Make_Fast_Rechargable_Batteries_Based_Charged_PotassiumАмериканские ученые смогли вплотную приблизиться к стоящей перед крупнейшими производителями электроники и потребительским сообществом цели — достижению максимально быстрой зарядки аккумуляторных батарей, давно превратившихся в неотъемлемую часть окружающей потребителя действительности. Мобильные устройства, электронное оборудование, представители многомиллиардного «Интернета вещей» и даже автомобили с двигателями на электрической тяге, к которым недавно добавились и воздушные суда в экспериментальном техническом исполнении, требуют постоянного подключения к источнику энергии. Если в некоторых ситуациях нахождение вблизи розетки помогает решить эту проблему, то для нуждающихся в мобильном средстве коммуникаций людей смартфон или планшет давно превратился в рабочий инструмент и способ общения с окружающим миром, в котором живут его ближайшие родственники, друзья и коллеги по работе. Появление в инструментарии компаний-производителей электронных устройств литий-ионных аккумуляторов совершило настоящую производственную революции, обеспечив общество невероятным по размерам и составу набором «сопутствующих инструментов», однако поставило перед человечеством и более глобальную задачу — найти способы более быстрого пополнения емкости батарей для значительного усовершенствования имеющихся в арсенале человека гаджетов с одновременным расширением списка предоставляемых ими преимуществ.

В настоящий момент десятки отдельных коллективов и целых исследовательских отделов крупных корпораций, обладающих серьезными финансовыми возможностями и накопленным за время работы на рынке практическим опытом, трудятся над поиском наиболее эффективного, безопасного и недорогого способа быстрой зарядки батарей на основе ионов лития. Часть исследований ученое сообщество ведет в направлении поиска альтернативных материалов, обеспечивающих необходимые промышленности технические параметры работы накопителей энергии — в первую очередь, увеличенные объем накапливаемого заряда, срок его хранения и скорость пополнения емкости. В качестве альтернативных путей развития литий-ионных аккумуляторов специалисты рассматривают несколько идей, связанных с переводом накопителей на металло-воздушную и литий-воздушную основу — эксперименты с новым составом батарей дали обнадеживающие результаты на первой стадии практических испытаний, однако до запуска массового производства перспективных батареек дело пока не дошло. Еще одно ответвление научных изысканий — эксперименты с атомами железа, которые и помогли с помощью компьютерного моделирования добиться выдающихся научно-технических результатов.

Группа из США во главе с профессором Сайфула Исламом, представляющем кафедру химии в Университете Бата, и его коллегой Резой Шахбазиан-Яссара пошла именно по этому пути — проверить доступные в таблице Менделеева элементы на возможность получения более высокой скорости движения электронов при переходе к альтернативным химическим компонентам. В качестве эксперимента химики взяли за основу крупные ионы металла, в частности воспользовавшись «попавшимся» на глаза экспериментаторов недорогим калием. Заряженные ионы калия обеспечили непревзойденное улучшение базовых характеристик емкости — накопление заряда в обновленной среде происходит значительно быстрее, при этом существует большая вероятность достижения более высокой емкостных характеристик при сопоставимых с литий-ионными «собратьями» габаритах и массе. Своими впечатлениями о полученных результатах испытаний и итогов проведенного в лабораторных условиях компьютерного моделирования поведения заряженных ионов калия авторы открытия поделились на страницах научно-публицистического издания Nature Communications. В ближайшее время авторы публикации проведут дополнительные исследования, чтобы убедиться в полученных ранее результатах и ответить на главный вопрос — каким образом ионы железа взаимодействуют с созданными в рамках экспериментов туннельными структурами из оксида марганца, и как они обеспечивают улучшенную проходимость электронов.

Ответы на эти вопросы позволят найти идеальные химические связки для создания перспективных аккумуляторов, главным отличием которых от существующих станет возможность максимально быстрой зарядки аккумуляторов, исчисляющейся по времени считанными минутами. Ключевая особенность обнаруженного в ходе экспериментальных проверок свойства калий-ионной «связки» в аккумуляторе — дешевизна предполагаемого массового производства новинок, исключающая необходимость серьезной модернизации производственных линий для запуска в серию принципиально новых батареек. Совместное использование оксида марганца и заряженных ионов калия на смоделированной при помощи вычислительной техники компьютерной модели очень положительно влияет на параметры созданного с их применением аккумулятора — скорость накопления электрического заряда оказывается во много раз более высокой, чем у лучших моделей современных батарей, применяемых в различных сферах — мобильной электронике и даже автоиндустрии. Напомним, что использующие в качестве автомобильного топлива электричество автомобили, в частности, серийно выпускаемые американским автоконцерном Tesla Motors электрокары линеек Model S и Model X, несут в себе основанные на обычных портативных батарейках аккумуляторные ячейки. Единственное отличие — количество собранных в «электрический бак» элементов, число которых исчисляется сотнями штук в одном большом блоке.

Замена применяемых почти во всех индустриальных отраслях элементов в электромобиле на более емкие и производительные с точки зрения скорости накопления электрозаряда позволит избавиться от главной проблемы транспортных средств на альтернативном виде энергии — необходимости заряжать аккумулятор в электрокарах на протяжении 8-12 часов, что становится одним из главных сдерживающих факторов для рассмотрения такого автомобиля в качестве замены использующему привычный бензин или дизельное топливо с двигателем внутреннего сгорания. Сегодня автопроизводители активно ищут способы ускорения зарядки для батарей электромобилей, добившись внушительных результатов — готовая к внедрению на станциях подзарядки Supercharger в самое ближайшее время технология американского производителя машин на электротяге обеспечивает беспрецедентную скорость заряда — 20 минут на пополнение 80% емкости «бака» модели P100D, в которой устанавливается «батарейка» на 100 кВт·ч. Если авторам уникального исследования из Америки удастся довести свои разработки до практического применения и коммерческого использования, автомобильная отрасль получит серьезный толчок для дальнейшего развития по пути улучшения потребительских качеств «электрических» авто, которые смогут «заправляться» за сопоставимое с аналогами на ДВС время — 3-5 минут на каждые 500-600 километров дороги.

Артем Сорокин