Алюминиевые материалы демонстрируют многообещающие характеристики для более безопасных, дешевых и мощных аккумуляторов

Твердотельные аккумуляторы — это литиевые аккумуляторы с твёрдым электролитом, в отличии от обычных литий-ионных (Li-ion), в которых электролит  в жидком состоянии. В течение последних трех десятилетий безраздельно господствовали литий-ионные аккумуляторы, доказав свою эффективность в смартфонах, ноутбуках и электромобилях. Однако по мере того, как на рынок начинают поступать автомобили дальнего радиуса действия и электрические самолеты следующего поколения, поиск более безопасных, дешевых и мощных аккумуляторных систем, которые могут превзойти литий-ионные, набирает обороты.

Группа исследователей из Технологического института Джорджии во главе с Мэтью Макдауэллом, доцентом Школы машиностроения Джорджа Вудраффа и Школы материаловедения и инженерии, использовала алюминиевую фольгу для создания батарей с более высокой плотностью энергии и большей стабильностью.

Новая аккумуляторная система, подробно описанная в Nature Communications, может позволить электромобилям дольше работать без подзарядки и будет дешевле в производстве, при этом оказывая положительное влияние на окружающую среду.

Идея изготовления батарей из алюминия не нова. Его потенциал подробно исследовали в 1970-х годах, но тогда это не дало результатов. При использовании в обычной литий-ионной батарее алюминий ломается и выходит из строя в течение нескольких циклов зарядки-разрядки из-за расширения и сжатия. Разработчики пришли к выводу, что алюминий не является жизнеспособным материалом для аккумуляторов, и от этой идеи в значительной степени отказались.

В то время как литий-ионные батареи содержат легковоспламеняющуюся жидкость, которая может привести к возгоранию, твердотельные батареи содержат твердый материал, который не воспламеняется и, следовательно, более безопасен. Твердотельные батареи также позволяют интегрировать новые высокоэффективные активные материалы.

Проект начался как сотрудничество между командой Технологического института Джорджии и Novelis, ведущим производителем алюминия и крупнейшим в мире переработчиком алюминия, в рамках инновационного центра Novelis в Технологическом институте Джорджии. Исследовательская группа знала, что алюминий будет иметь энергетические, финансовые и производственные преимущества при использовании в качестве материала в аноде батареи — отрицательно заряженной стороне батареи, которая хранит литий для создания энергии, — но оказалось, что при испытаниях чистая алюминиевая фольга быстро выходит из строя.

Команда решила пойти другим путем. Вместо того, чтобы использовать в фольге чистый алюминий, они добавили к алюминию небольшое количество других материалов, чтобы создать фольгу с определенной «микроструктурой». Они протестировали более 100 различных материалов, чтобы понять, как они поведут себя в батареях.

Учёные обнаружили, что алюминиевый анод может хранить больше лития, чем обычные анодные материалы, и, следовательно, больше энергии. В конце концов, они создали батареи с высокой плотностью энергии , которые потенциально могут превзойти литий-ионные батареи.

В настоящее время команда работает над увеличением размера батарей, чтобы понять, как размер влияет на поведение алюминия. Группа также активно исследует другие материалы и микроструктуры с целью создания очень дешевой фольги для аккумуляторных систем.

Сегодняшние батареи не содержат достаточно энергии, чтобы электрический самолет мог летать на расстояние более 250 км или около того. Необходим новый химический состав батарей, и батареи с алюминиевым анодом, разработанные командой Мэтью Макдауэлла, могут открыть двери для более мощных аккумуляторных технологий.

На фотографии: Твердотельная батарея, созданная в лаборатории Мэтью Макдауэлла в Технологическом институте Джорджии