На сегодняшний день литиевые аккумуляторы – преобладающий источник электропитания для автономных устройств. Они используются и в российском батискафе, опустившегося на дно на Северном полюсе, и в мобильных телефонах, ставших достоянием всех и каждого отчасти благодаря этим самым литиевым аккумуляторам.

Литиевые аккумуляторы обеспечивают плотность энергонакопления порядка 500 Дж/грамм (150Вт·час/кг), что существенно больше, чем у других источников. Для сравнения, типичные свинцовые аккумуляторы обеспечивают округленно 100 Дж/грамм, никель-металлогидридные – 200 Дж/грамм.

Процесс зарядки литиевого аккумулятора состоит в переносе литиевых ионов из катодного электрода (в данном случае из фосфата лития-железа LiFePO4) в анод, в качестве материала которого используется модифицированный графит. Генерация тока происходит при обратном перемещении ионов. В графите ионы занимают позиции между плоскостями гексагонально упакованных атомов углерода, а в материале катода литий двигается и накапливается в каналах ажурной кристаллической структуры LiFePO4 (см. рис.).

Основной недостаток литиевых аккумуляторов – флегматичность в процессах заряда/разряда. К примеру: заряд батареи ноутбука занимает порядка часа, что по современным меркам довольно долго. Особенно критично ограничение токов заряда-разряда для разрабатываемого электро – и гибридного транспорта. Для длительного равномерного движения литиевые аккумуляторы обладают достаточным энергозапасом; однако они не могут обеспечить быстрое ускорение или рекуперацию энергии при электромагнитном торможении, которое происходит в течение примерно секунды. Для обеспечения пиковых мощностей параллельно литий-ионным аккумуляторам приходится подключать т.н. суперконденсаторы (ионисторы), что утяжеляет устройство в целом и повышает его цену.

В новой публикации утверждается, что найдено техническое решение, ускоряющее процесс зарядки на порядок [1]. Как выяснили исследователи из Massachusetts Inst. of Technology (MIT), США, проводимость по ионам лития у фосфата лития-железа, используемого в качестве катодного материала, достаточно велика и могла бы обеспечить достаточно высокие удельные мощности. Лимитирующим процессом для заряда-разряда оказался вход/выход ионов Li с поверхности LiFePO4 в каналы внутри кристаллической структуры. Специалисты из MIT нанесли на поверхность зерен кристаллического катодного материала пяти-нанометровый аморфный слой с контролируемой нестехиометрией (формулировка авторов), и это обеспечило ускорение процесса внедрения лития более чем на порядок.

По утверждениям авторов, их экспериментальное устройство легко может быть масштабировано; 1 литровая батарея сможет обеспечить 25 кВт. При такой удельной мощности заряд аккумуляторов электромобиля будет занимать всего 5 минут – примерно столько, сколько потребуется, чтобы выпить чашечку кофе на заправочной станции. Правда, в течение этих 5 минут подавать на зарядку придется около 200 кВт мощности, и не исключено, что кофе можно будет варить как раз на автомобильном аккумуляторе.

На этот же аспект обратили внимание комментаторы в блоге на сайте Nature. Как заметил один из них, чтобы зарядить его ноутбук в обещанные 20 секунд, зарядный ток должен составлять порядка 250А.

Там же в блоге специалисты, уже имеющие опыт работы с подобными системами, утверждают, что похожие рецепты уже предлагались, но постепенно выяснилось, что многократные циклы заряд/разряд могут приводить к разрушению материала с аморфным слоем на поверхности и мощность, первоначально высокая, будет снижаться.

Тем не менее, пусть даже пессимисты кое в чем правы; но – повышение мощности литиевых батарей на полтора порядка должно существенно повлиять на будущее энергетики.

М.Компан