Секунда на зарядку

Создан аккумулятор, способный заряжаться и разряжаться за секунды

Уже через несколько лет зарядка телефона будет занимать секунды. Зарядить так аккумулятор ноутбука не получится – не выдержит электросеть. Новые электроды сократили литий-ионным аккумуляторам цикл зарядки и разрядки до нескольких секунд.

Привычка каждую ночь ставить на зарядку телефон и mp3-плеер может уйти в прошлое уже через 2–3 года, а гибридные автомобили должны стать намного приёмистей и эффективнее. Зарядить телефон по полной можно будет за несколько секунд. Правда, потреблять энергию во время зарядки он будет с мощностью электрического чайника, а ток, который при этом пойдёт из розетки, потребует провода в палец толщиной.

Профессор американского Массачусетского технологического института (MIT) бельгиец Жербран Седер и его южнокорейский аспирант Кан Бён У разработали

способ обработки электродов, который на несколько порядков повышает скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов и высвобождения из них энергии.

Раньше такую скорость разряда могли дать только конденсаторы особого типа. Однако они гораздо более капризны и весят также на порядки больше: накопление заряда в конденсаторе идёт не по всему объёму, а только вдоль поверхности обкладок, и как ни сворачивай их трубочкой, разделяющий обкладки диэлектрик занимает очень много места.

По словам авторов новой технологии, описание которой опубликовано в последнем номере Nature, её применение требует лишь незначительной модификации технологического процесса изготовления батарей, а значит, её реализация должна быть очень скорой. По оценкам Седера – два--три года.

Что ограничивает мощность аккумулятора

Как и все источники электродвижущей силы, литий-ионный аккумулятор преобразует неэлектрическую химическую энергию в напряжение, которое вызывает ток электронов во внешней цепи, если таковую замкнуть. В литий-ионном аккумуляторе эта энергия запасается за счёт разделения нейтральных молекул с образованием положительно заряженных ионов лития Li⁺ и отрицательно заряженных электронов e^-.

Во время зарядки ионы лития выделяются из катода и под действием приложенного к батарее напряжения мигрируют через электролит к аноду. Во время раздрядки, когда аккумулятор, собственно, «работает», происходит обратный процесс – ионы лития устремляются к катоду, а электроны, неспособные двигаться через электролит, вынуждены течь через внешнюю цепь, запитывая по дороге ваш телефон, лэптоп или даже электродвигатель, если вы вдруг едете на электромобиле.

Таким образов, в аккумуляторе всегда присутствует механическое перемещение зарядов. И именно медлительность ионов лития ограничивает как скорость зарядки, так и скорость разрядки и, следовательно, мощность аккумулятора. Это из-за их неповоротливости зарядка телефона занимает несколько часов, а гибридные автомобили неспособны быстро разгоняться на одной лишь электрической тяге. Равно как неспособны они и заметно подзарядить свои аккумуляторы при торможении за счёт каких-нибудь электромагнитных тормозов: длится торможение лишь несколько секунд, и аккумуляторы просто неспособны принять всю выделившуюся при этом энергию за такое короткое время.

И всё это притом, что ионы лития в плане скорости – практически идеальный вариант: легче лития только гелий и водород. Учёные уже давно подобрали электролит, который обеспечивает максимальную подвижность ионов лития, и предложили несколько вариантов материала для электродов.

Скорость зарядки и разрядки аккумулятора ограничивает подвижность ионов лития Li⁺ в электроде батареи. Один из лучших материалов для электрода, который широко используется в наши дни, – литий-железа фосфат LiFePO₄. Он позволяет как быстро принять ионы при зарядке, так и высвободить их во время работы аккумулятора.

Однако недостаточно быстро.

Несколько лет назад Седер и Кан посчитали теоретическую скорость, с которой LiFePO₄ должен принимать ионы лития, и она оказалась на два порядка выше той, что наблюдается в действительности.

Учёные тогда быстро выяснили, в чём дело: кристаллы LiFePO₄ быстро работают на приём и отдачу Li⁺ лишь в одном направлении ([010]). Если же ион подходит к кристаллу с другой стороны, то проникнуть внутрь гораздо сложнее; точно так же и выход иона при разрядке существенно замедляется, если кристалл повёрнут к электролиту «не той» стороной.

Частичное решение этой проблемы Кан и Седер также предложили сразу – измельчить кристаллы так, чтобы увеличить площадь контакта с электролитом и шансы на правильную ориентацию. Изготовление электрода из наночастиц LiFePO₄ размером примерно по 50 нм действительно увеличило мощность – но не на порядки.

Теперь специалисты из MIT наконец решили проблему кардинальным образом.

По их собственным словам,

они окружили каждую из наночастиц своего рода молекулярным «конвейером», который без конца мотает ионы Li⁺ вокруг кристаллов LiFePO₄, и стоит иону оказаться у нужной кристаллической поверхности, как он тут же проваливается внутрь.

Этот «конвейер» – стеклообразный пирофосфат лития Li₄P₂O₇, который слоем толщиной всего около 5 нм покрывает поверхность наночастиц литий-железа фосфата. Стеклообразный, конечно, не в том смысле, что из него можно делать линзы и пивные кружки, а в том, что это вещество не образует чёткой кристаллической структуры. В таком стеклянном контейнере ионы лития приобретают превосходную подвижность и очень быстро оказываются над нужной гранью LiFePO₄.

Элементы питания, созданные с помощью таких наночастиц со стеклянным покрытием, оказались способны хранить электроэнергию настолько хорошо, насколько позволяет теория, с удельной ёмкостью около 166 мА•ч на грамм материала. Иначе говоря, стандартный телефонный аккумулятор ёмкостью 1,5 тысячи мА•ч должен весить меньше 10 граммов.

Но главное – новые аккумуляторы почти не теряют своих способностей при сверхвысокой скорости зарядки и разрядки.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2443503",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2956525_i_2"
}

Даже в безумном по современным представлениям режиме 400 циклов в час, при котором полный заряд и разряд занимают всего 9 секунд, аккумулятор Седера и Кана способен хранить более 60 мА•ч на грамм своего веса. При этом новые батареи не теряют чудесных способностей при многократных циклах разрядки/зарядки, не портятся от пере- и недозарядки, а по своей термической стабильности даже лучше тех, что в ходу сегодня. Так что никаких взрывающихся и перегревающихся батарей в ноутбуках не предвидится.

Правда, у новой технологии есть одно слабое место – ни зарядные устройства, ни обычная квартирная проводка просто не рассчитаны на токи, которые потребуются новым батареям.

Зарядка аккумулятора на 1500 мА•ч за 9 секунд требует тока в 600А. Чтобы проводить ток в 600 ампер, нужен толстый провод, никак не похожий на тонкие жилки современных зарядных устройств. Поскольку зарядка идёт при напряжении около 4 В, то в течение 9 секунд ваш телефон будет потреблять 2,4 кВт электроэнергии. Это мощность хорошего электрического чайника – задача не для тонкого провода.

Но если мощность чайника сеть в большинстве случаев ещё выдержит, то попытка быстро подзарядить аккумулятор для ноутбука на 6000 мА•ч при напряжении 15 В выльется в потребление 36 кВт электроэнергии и, скорее всего, оставит без света весь ваш дом. О подзарядке аккумуляторов для автомобилей, тем более гибридных, лучше и не заикаться.

Тем не менее никто не заставляет испытывать пределы новой технологии быстрой зарядки. Большинство из нас, скорее всего, удовлетворит и менее экстремальный режим. Ну а о проводке пусть болит голова у тех, кому нужна максимальная мощность. Об аккумуляторах за них подумали Жербран Седер и Кан Бён У.