Новая китайская батарея достигла 602,5 Вт·ч/кг и обещает более длительное время полёта дронов

Новая конструкция электролита может увеличить продолжительность полётов дронов и электрических летательных аппаратов. Китайские исследователи разработали высокостабильный литий-металлический аккумуляторный элемент в корпусе типа «пауч» с удельной энергией более 600 Вт·ч/кг, что потенциально может решить проблему ограниченной продолжительности полёта дронов и летательных аппаратов с вертикальным взлётом и посадкой (eVTOL).

Аккумулятор был создан совместной командой Tianmushan Lab и Университета Цинхуа с использованием новой электролитной добавки, предназначенной для защиты обоих электродов. Исследование, направленное на решение проблем стабильности, циклического ресурса и безопасности, которые сдерживали коммерческое использование литий-металлических аккумуляторов с высокой энергетической плотностью.

Емкость аккумулятора составляет 602,5 Вт·ч/кг

В коммерческих литий-ионных аккумуляторах обычно используются графитовые аноды, и их удельная энергия приближается к теоретическому пределу, составляющему примерно 350 Вт·ч/кг. Этот предел становится всё более затрудняет использование обычных аккумуляторов для обеспечения необходимой продолжительности полёта новых электрических летательных аппаратов.

Китайская команда протестировала свою конструкцию электролита в пакетных элементах емкостью 10 А·ч, оснащённых катодами на основе тройных материалов с высоким содержанием никеля. Эти элементы достигли удельной энергии 550,7 Вт·ч/кг и сохранили 80 процентов начальной ёмкости после 180 циклов. Когда исследователи соединили литий-металлический анод с катодом на основе марганцевого материала с высоким содержанием лития, удельная энергия аккумулятора выросла до 602,5 Вт·ч/кг. Согласно представленным результатам, это более чем на 50 процентов превышает показатель основных силовых аккумуляторов, доступных сегодня.

Новая добавка защищает оба электрода

В основе этого прорыва лежит то, что исследователи описывают как структуру сольватации с сильной координацией, сформированную благодаря добавке. Данный подход использует новую электролитную добавку для контроля реакций, происходящих на электродах аккумулятора. На катоде добавка образует тонкую и плотную защитную пленку. Этот слой помогает уменьшить повреждение материала катода при многократной зарядке и разрядке при высоком напряжении.

Добавка также создает стабильный межфазный слой на литий-металлическом аноде. Этот интерфейс подавляет образование литиевых дендритов, повышает эффективность транспорта ионов лития и снижает связанные с этим риски для безопасности. Обеспечивая защиту обеих сторон элемента, конструкция электролита стремится сочетать свойства, которые было сложно достичь одновременно в литий-металлических аккумуляторах: высокую энергетическую плотность, стабильность при циклировании и более безопасную работу.

Более длительные полёты остаются целью на будущее

В перспективе это исследование может способствовать развитию китайской «низковысотной» экономики, в рамках которой дроны и летательные аппараты eVTOL разрабатываются для различных коммерческих применений. Однако их более широкое внедрение по-прежнему ограничено количеством энергии, которую аккумуляторы могут хранить без чрезмерного увеличения веса. Аккумулятор с удельной энергией на уровне 600 Вт·ч/кг мог бы хранить значительно больше энергии при той же массе аккумуляторного блока по сравнению с современными коммерческими элементами.

Это могло бы помочь электрическим летательным аппаратам дольше оставаться в воздухе, хотя в исследовании не приводились конкретные оценки продолжительности полёта. Кроме того, технология ещё не готова к коммерческому использованию. Исследователи отметили, что она пока находится на лабораторной стадии и потребует дальнейшей технической доработки, прежде чем станет возможным её масштабное производство. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Источник: Interesting Engineering