До сих пор физикам не удавалось создать высокопроизводительные натрий-хлорные или литий-хлорные батареи с возможностью перезарядки, ведь хлор слишком реактивный элемент — это означает, что он очень легко вступает в химические реакции. Из-за этой особенности вещество сложно преобразовать в хлорид с той же степенью эффективности. Ранее другим ученым удавалось создавать перезаряжаемые хлорные батареи, однако их производительность была слишком мала и не шла ни в какое сравнение с литий-ионными.
Первую батарею на основе хлора, емкость которой в 6 раз превысила литий-ионные аналоги собрали ученые из Стэндфордского университета США. Плотность энергии в экспериментальном прототипе составила 1200 мАч/г, при этом он работает на обычной поваренной соли.
Исследование описано на официальном сайте университета.
Технология основана на возвратно-поступательном химическом преобразовании хлорида натрия или хлорида лития в хлор. Перезарядка возвращает химический состав в исходное состояние, когда электроны полностью перемещаются от одной стороны батареи к противоположной. Ранее в Стэнфорде экспериментировали только с неперезаряжемыми прототипами.
«Аккумуляторная батарея чем-то похожа на кресло-качалку. Он наклоняется в одном направлении, но затем возвращается обратно, когда вы добавляете электричество. У нас есть кресло-качалка с высокой качаемостью», — объяснил ведущий автор исследования профессор Хунцзе Даи.
Хунцзе Даи и его коллеги изначально не планировал создать перезаряжаемые хлорные аккумуляторы, а пытались усовершенствовать технологии на основе тионилхлорида. Такое химическое вещество широко применяется в создании одноразовых батареек, изобретенных еще в 1970-х годах. Во время одного из экспериментов ученые заметили, что во время очередного преобразования состояние химикатов стабилизировалось, и устройство отчасти перезарядилось. Физикам потребовалось несколько лет, чтобы разобраться в сути этого явления. В ходе экспериментов они перепробовали множество материалов для катода (позитивного электрода), и лучший результат показал пористый углеродный материал, разработанный профессором Юань-Яо Ли из Национального университета Чунг Ченг (Тайвань).
Материал являет собой наносферу, заполненную множеством маленьких пор, благодаря которым впитывает большое количество молекул хлора и сохраняет их, подобно губке. В итоге вещество снижает свою чувствительность, и его можно многократно преобразовывать в соль (хлорид натрия) прямо внутри катода.
Когда батарея заряжена, молекула хлора «проваливается» в крошечные поры углеродных наносфер. Затем аккумулятор разряжаясь и преобразует хлор в хлорид натрия — поваренную соль —процесс повторяется многократно, а именно до 200 раз.
В результате такого открытия, ученые добились очень высокой плотности энергии — 1200 миллиампер-часов на грамм материала положительного электрода. В то же время, емкость современных литий-ионных батарей достигает 200 мАч/г, то есть в 6 раз ниже. По мнению разработчиков, их аккумуляторы помогут избежать частой перезарядки там, где она неудобна или вовсе нежелательна.
Пока размер позволяет устанавливать их в слуховые аппараты, пульты и другую бытовую электронику маленького размера. Чтобы применять хлорные батареи в электромобилях, смартфонах и другой технике, ученым необходимо улучшить конструкцию, повысить плотность, увеличить размеры и количество циклов. Если это удастся, их смогут устанавливать даже на космические спутники.
