Една класическа ирония на новите технологии е, че онези, които ги възприемат първи, са принудени да се ограничат до две от трите неща, които всеки иска: бързо, евтино и добро. Когато технологията е батерии, възприемането е още по-предизвикателно. Евтиното и бързото (зареждане) все още имат значение, но „добро“ може да означава различни неща като леко тегло, малък обем или дълъг живот в зависимост от вашите нужди. Все пак същите видове компромиси съществуват и тук. Ако искате наистина бързо зареждане, вероятно ще трябва да се откажете от малко капацитет.

Тези компромиси стимулират изследванията на алтернативни химикали на батериите въпреки огромното предимство на лития по отношение на технологиите и производствените възможности – все още има надежда, че някои други химикали могат да осигурят голям спад в цената или голям тласък в някаква производителност.

Стана ясно ново проучване, което изглежда предлага ниска цена, съчетана с голям тласък в няколко от тези аспекти. Алуминиево-серните батерии, които описва то, предлагат суровини на ниска цена, конкурентен размер и повече капацитет на тегло от литиево-йонните – с голямото предимство на пълното зареждане на клетките за много по-малко от минута. Единственият очевиден проблем, който има в момента, е, че трябва да е на 90° C (почти точката на кипене на водата), за да работи.

От известно време учените обмислят батерии, базирани на алуминий, привлечени от техния висок теоретичен капацитет. Докато всеки алуминиев атом е малко по-тежък от лития, алуминиевите атоми и йони са физически по-малки, тъй като по-високият положителен заряд на ядрото привлича малко електроните. Освен това алуминият лесно ще отдаде до три електрона на атом, което означава, че можете да преместите много заряд за всеки включен йон.

Голям проблем е, че химически алуминият не е удачен. Много алуминиеви съединения са силно неразтворими във вода, техните оксиди са изключително стабилни и така нататък – лесно е нещо, което трябва да е незначителна странична реакция, да повреди батерията след няколко цикъла на зареждане/разреждане. И така, докато работата продължава, високият теоретичен капацитет често изглеждаше като нещо, което никога няма да бъде реализирано на практика.

Ключът към новото постижение е осъзнаването, че вече сме решили един от големите проблеми с производството на алуминиев метален електрод – макар в напълно различна област. Електродите от чист метал предлагат голямо подобрение на простотата на дизайна и обема, тъй като не е включена истинска химия и нямате нужда от допълнителни материали, за да напълните металните йони. Но металът има тенденция да се отлага неравномерно върху електродите на батерията, като в крайна сметка произвежда шипове, наречени дендрити, които растат, докато повредят други компоненти на батерията или окъсят изцяло клетката. Така че измислянето как да се депозира равномерно метал е голямо препятствие.

Ключово осъзнаване тук е, че вече знаем как да нанасяме равномерно алуминия. Правим го през цялото време, когато искаме да галванизираме алуминий върху някакъв друг метал.

Често се прави с помощта на разтопена сол от алуминиев хлорид. В разтопената сол алуминиевите и хлорните йони са склонни да образуват дълги вериги от редуващи се атоми. Когато алуминият се отложи върху повърхност, той има тенденция да излезе от центъра на тези вериги, а физическият обем на останалата част от веригата прави това по-лесно да се извърши върху равна повърхност.

В разтопената сол алуминиевите йони също могат да се движат бързо от единия електрод към другия. Големият проблем е, че алуминиевият хлорид се топи само при 192 °C, но смесването на малко натриев хлорид и калиев хлорид води тази стойност до 90 °C - под точката на кипене на водата и съвместимо с по-голям набор от допълнителни материали.

С това изследователите разполагат с две трети от батерията. Единият електрод е метален алуминий, а електролитът е течният алуминиев хлорид. Това оставя втори електрод за идентифициране. Тук имаше много примери за съхранение на алуминий като химическо съединение с елементи под кислорода в периодичната таблица като сяра или селен. За целите на експеримента екипът работи със селен, създавайки експериментална батерия и потвърждавайки, че тя се държи според очакванията.

При бавни скорости на разреждане алуминиево-серните клетки имат капацитет на зареждане на тегло, който е над три пъти по-голям от този на литиево-йонните батерии. Това число намалява с увеличаване на скоростта на зареждане/разреждане, но производителността остава отлична. Ако клетката е разредена за два часа и заредена само за шест минути, тя все още има капацитет на зареждане на тегло, който е с 25 процента по-висок от литиево-йонните батерии и запазва приблизително 80 процента от този капацитет след 500 цикъла – много над това, което виждаме при повечето литиеви химикали.

Ако намалите времето за зареждане до малко повече от минута, капацитетът на тегло е приблизително равен на този на литиево-йонна батерия и повече от 80 процента от този капацитет все още е наличен след 200 цикъла. Батерийната клетка дори можеше да понесе пълно зареждане за под 20 секунди, въпреки че капацитетът на тегло е само малко над половината от това, което бихте получили от литиево-йонната.

Нищо от това не означава, че тази технология може да ни позволи бърз път към рая на батерията. Въпреки че вече е създадена компания за комерсиализиране на технологията, вече има огромна инфраструктура, посветена на производството на литиево-йонни батерии, и технологията там също непрекъснато се подобрява. Но ако доставките на суровини за масовите батерии някога станат ограничени, може да е много полезно да имаме технология, базирана изцяло на изобилието от химикали.

Снимка: Unsplash

Виж още: Странни дупки на океанското дъно - портал към мистериозен свят?