Забудьте о литии: кальциевые батареи - будущее носимой электроники

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Все мы знаем, что литий — основной компонент современных перезаряжаемых батарей, которые используются во многих потребительских продуктах, таких как смартфоны, ноутбуки и электромобили. Но литий не идеален: он дорогой, редкий, быстро стареет и требует специальных мер предосторожности при зарядке. Поэтому ученые ищут альтернативные материалы, которые могли бы заменить литий или дополнить его в батареях нового поколения.


Схема аккумуляторной батареи Ca-O2 батарея с выровненным листом CNT в качестве катода, металлом Ca в качестве анода и 0,5 м Ca(TFSI)2 in EMIM-BF4/DMSO (50:50 об.) в виде электролита. Со стороны катода O2 восстанавливается и соединяется с Ca2+ в электролите с образованием CaO2 во время разряда, а обратная реакция происходит во время зарядки. Со стороны анода металлический Ca удаляется во время разряда и повторно покрывается при перезарядке.
Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06949-x Источник: dx.doi.org

Одним из таких материалов является кальций, который имеет ряд преимуществ перед литием. Кальций в 2500 раз более распространен, чем литий, что делает его более доступным и дешевым. Кроме того, кальций имеет большую электрохимическую емкость, то есть способность хранить больше энергии в единице массы. Теоретически, кальциевые батареи могут иметь в два раза большую энергетическую плотность, чем литиевые, что означает, что они могут работать дольше на одном заряде.

Но создание кальциевых батарей не такое простое дело, как может показаться. Существует много технических проблем, которые нужно решить, прежде чем кальциевые батареи станут реальностью. Одна из самых больших проблем — это поиск подходящих материалов для электролита и электродов, которые могут обеспечить стабильность и безопасность кальциевых батарей. Электролит — это вещество, которое проводит электрический ток между электродами, а электроды — это материалы, которые участвуют в химических реакциях при зарядке и разрядке батареи.

Одним из наиболее перспективных вариантов для кальциевых батарей является сочетание кальция и кислорода, которое, по предположению ученых, может иметь самую высокую энергетическую плотность среди кальциевых батарей. Однако, такие батареи сталкиваются с рядом трудностей, таких как неактивность материалов разряда, то есть тех, которые образуются на электродах во время разрядки, и сложность подбора электролита, который может работать с кальцием и кислородом.

Недавно китайская многоинститутская группа инженеров добилась значительного прорыва в разработке кальциево-кислородной батареи, которая может выдерживать 700 циклов зарядки-разрядки при комнатной температуре. Это важный результат, так как большинство кальциевых батарей требуют высоких температур для работы, что снижает их практичность и безопасность. Китайские исследователи смогли создать новый тип жидкого электролита, который работает с кальцием и кислородом, используя двухэлектронный окислительно-восстановительный процесс и определенные пропорции материалов. Они также встроили свою батарею в гибкие волокна, которые они сплели в ткань, демонстрируя возможность создания носимых устройств на основе кальциевых батарей.

Конечно, кальциево-кислородная батарея, разработанная китайскими инженерами, еще далека от коммерческого использования. Ее эффективность все еще ниже, чем у литиевых батарей, а также есть вопросы по поводу ее долговечности, масштабируемости и стоимости. Но это впечатляющий шаг вперед в исследовании кальциевых батарей, которые могут стать новой надеждой для энергетики будущего. Кальциевые батареи могут не только заменить литиевые батареи в некоторых областях применения, но и совместно работать с ними, создавая гибридные системы, которые могут улучшить производительность и безопасность. Кальциевые батареи также могут способствовать развитию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, которые требуют надежных и дешевых способов хранения энергии. В общем, кальций — это элемент, который заслуживает нашего внимания и изучения.