Ваш следующий аккумулятор может быть напечатан на бумаге

Турбулентность в цепочках поставок кажется всепроникающей, охватывая от полупроводников до различных товаров. С такими колебаниями цен на товары и природные ресурсы на фоне геополитических событий, а также с растущим спросом на электромобили, мир может столкнуться с дефицитом лития к 2025 году (согласно оценке Международного энергетического агентства). В условиях растущего спроса на литий, исследователи в академических кругах и промышленности искали альтернативные материалы для батарей, чтобы преодолеть эти вызовы.

Одно из самых интересных разработок было создано исследователями Швейцарской федеральной лаборатории по науке о материалах и технологиям (Empa). Результаты исследования были опубликованы в недавнем номере Nature. Они объявили об инновационном материале для батарей, активируемом водой, который можно печатать на листе бумаги. Теоретически, этот электрохимически активный материал может быть напечатан на любой подложке, например, на гибком изоляторе, как пластик.

Хотя никто не предлагает использовать бумажные батареи для электромобилей, материал может выдавать до 1,2 В в одной ячейке (сопоставимо с химией батарей Ni-MH). Таким образом, стопки такого типа материала могут использоваться в качестве маленьких одноразовых батарей для портативной электроники или других маленьких устройств. Это не панацея от нехватки лития, но эти альтернативные материалы могут позволить перенаправить литий в гораздо более критически важные области, такие как электромобили.

Материал для батареи на основе чернил

Материал, разработанный исследователями из Empa, на самом деле представляет собой углеродный слоистый материал, который включает графит, углеродную сажу, цинк в качестве анода и соль. Химия на основе углерода и соли может быть активирована с помощью воды, как описано ниже. Слоистая структура этого материала для батареи показана на графике ниже.

Верхний и нижний слои из графита + углеродная сажа действуют как активные слои, участвующие в электрохимической реакции батареи. Когда они покрыты солью и подвергаются воздействию воды, происходящая в результате электрохимическая реакция может вызвать ток через подключенную цепь.

Это конкретное открытие не является жизнеспособной системой, это лишь демонстрация новой химии, которая производит достаточно энергии для питания маленьких электронных устройств. Совместимость выходной мощности с никель-металл-гидридными (Ni-MH) и щелочными батареями показывает, что материал жизнеспособен с электрохимической точки зрения. Коммерческий аспект - это другой вопрос, который я описываю ниже.

Является ли это заменой стандартным химиям батарей, с которыми мы все знакомы? Вероятно, нет, но углеродные материалы используются в литий-базированных химиях в качестве анодного материала, обеспечивая несколько преимуществ для электрифицированных систем.

Альтернативные Материалы Привлекательны, Но Требуют Времени

Хотя альтернативные материалы для батарей, предназначенные для полной замены существующих химий (включая литий), являются предметом постоянных исследований, этот путь имеет долгий пробег, и путь к коммерциализации связан с рисками. Поэтому индустрия материалов для батарей сосредоточилась на улучшении дизайна батарей, включая использование похожих материалов, которые улучшают работу батарей без изменения химии в батареях.

Почему мы должны обращать внимание на изменения в химическом составе батарей? С точки зрения устойчивого развития и обеспечения возможности электрификации для удовлетворения спроса, поиск альтернативного состава, сопоставимого с литием, представляется привлекательным направлением. Проблема заключается в коммерциализации: химия на основе лития и другие металлические химии хорошо изучены и уже были квалифицированы с точки зрения безопасности. Это делает разработку на основе фундаментальных литиевых химий привлекательным вариантом с точки зрения риска и ответственности. Если разрабатывается новая химия и существует путь к коммерциализации, новая химия должна будет продемонстрировать определенный уровень соответствия регулированию, а также доказательства надежности для клиентов.

По этим причинам последнее время среди разработчиков материалов для батарей акцент делается на использовании углеродных материалов для постепенного улучшения в рамках существующих конструкций батарей. Дизайнеры батарей могут использовать существующие знания в области производства, тестирования и контроля качества батарей в этих новых конструкциях батарей, при этом получая преимущества от химии на основе углерода.

Некоторые из основных преимуществ использования углеродных материалов в существующих химиях батарей включают:

Одним из основных углеродсодержащих материалов, разрабатываемых для улучшения литий-ионных аккумуляторов, является функционализированный графит, который может быть легко изготовлен и использован для создания анодов для систем литий-ионных аккумуляторов. Другой углеродсодержащий материал - углеродные нанотрубки, которые выигрывают за счет их высокой баллистической транспортировки заряда вдоль осевого направления. Когда эти материалы включены в системы аккумуляторов, они предлагают большие скорости заряда/разряда и емкости в уже надежной химии аккумуляторов.

По мере того как все больше таких систем аккумуляторов появляется на рынке и дизайнеры могут интегрировать их в свои системы, убедитесь, что вы используете расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart, чтобы найти все необходимые вам продвинутые компоненты для электрифицированных систем. Когда вы используете поисковую систему электроники Octopart, у вас будет доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации деталей и спецификациям деталей, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые вам компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.