Нова китайська батарея досягла 602,5 Вт·год/кг і обіцяє довший час польоту дронів

Нова конструкція електроліту може збільшити тривалість польотів дронів та електричних літальних апаратів. Китайські дослідники розробили високостабільний літій-металевий акумуляторний елемент у корпусі pouch із питомою енергією понад 600 Вт·год/кг, що потенційно може вирішити проблему обмеженої тривалості польоту дронів та літальних апаратів із вертикальним зльотом і посадкою (eVTOL).

Акумулятор створила спільна команда Tianmushan Lab і Університету Цінхуа, використовуючи нову електролітну добавку, призначену для захисту обох електродів. Дослідження спрямоване на вирішення проблем стабільності, циклічного ресурсу та безпеки, які обмежували комерційне використання літій-металевих акумуляторів із високою енергетичною щільністю.

Батарея досягає 602,5 Вт·год/кг

Комерційні літій-іонні акумулятори зазвичай використовують графітові аноди й наближаються до теоретичної межі питомої енергії приблизно у 350 Вт·год/кг. Ця межа дедалі більше ускладнює використання звичайних акумуляторів для забезпечення необхідної тривалості польоту нових електричних літальних апаратів.

Китайська команда протестувала свою конструкцію електроліту в pouch-елементах ємністю 10 А·год, оснащених катодами на основі потрійних матеріалів із високим вмістом нікелю. Ці елементи досягли питомої енергії 550,7 Вт·год/кг і зберегли 80 відсотків початкової ємності після 180 циклів. Коли дослідники поєднали літій-металевий анод із катодом на основі багатого на літій марганцевого матеріалу, оборотна питома енергія зросла до 602,5 Вт·год/кг. Згідно з представленими результатами, це більш ніж на 50 відсотків перевищує показник основних силових акумуляторів, доступних сьогодні.

Нова добавка захищає обидва електроди

Основою прориву є те, що дослідники описують як структуру сольватації з сильною координацією, сформовану завдяки добавці. Цей підхід використовує нову електролітну добавку для контролю реакцій, що відбуваються на електродах акумулятора. На катоді добавка утворює тонку та щільну захисну плівку. Цей шар допомагає зменшити пошкодження матеріалу катода під час багаторазового заряджання та розряджання за високої напруги.

Добавка також створює стабільний міжфазний шар на літій-металевому аноді. Цей інтерфейс пригнічує утворення літієвих дендритів, підвищує ефективність транспортування іонів літію та зменшує пов’язані з цим ризики для безпеки. Захищаючи обидві сторони елемента, конструкція електроліту намагається поєднати властивості, яких було складно досягти одночасно в літій-металевих акумуляторах: високу енергетичну щільність, стабільність під час циклування та безпечнішу роботу.

Довші польоти залишаються метою на майбутнє

Дослідження в перспективі може підтримати розвиток китайської низьковисотної економіки, у межах якої дрони та літальні апарати eVTOL розробляються для різноманітних комерційних застосувань. Однак їхнє ширше впровадження залишається обмеженим кількістю енергії, яку акумулятори можуть зберігати без надмірного збільшення ваги. Акумулятор із питомою енергією на рівні 600 Вт·год/кг міг би зберігати значно більше енергії за тієї самої маси акумуляторного блоку порівняно із сучасними комерційними елементами.

Це могло б допомогти електричним літальним апаратам довше залишатися в повітрі, хоча дослідження не містило конкретних оцінок тривалості польоту. Технологія також ще не готова до комерційного використання. Дослідники зазначили, що вона залишається на лабораторній стадії та потребуватиме подальшого технічного розвитку перед можливістю масштабного виробництва. Дослідження було опубліковано в журналі Nature Communications.

Джерело: Interesting Engineering