Высокоемкие и надежные аккумуляторы являются ключевым элементом многих устройств и даже транспортных средств, играя важную роль в переходе к экологически чистому будущему. Для их производства используется множество ресурсов, включая кобальт, добыча которого вызывает ряд экологических, экономических и социальных проблем.

Впервые команда ученых, в том числе из Университета Токио, предложила реальную альтернативу кобальту, которая в некоторых аспектах превосходит современные аккумуляторы. Этот новый подход также позволяет аккумулятору сохранять эффективность после многих циклов перезарядки.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Sustainability.

Внутри ноутбуков, смартфонов и прочего множества устройств находятся литий-ионные батареи(LIB). Они давно стали стандартом для портативных устройств. Однако, у LIB есть и ряд серьёзных недостатков: основная проблема заключается в использовании кобальта в электродах. Кобальт – редкий элемент, основным источником которого являются рудники в Демократической Республике Конго. Экологические и социальные проблемы, связанные с добычей кобальта, сильно мешают его активной добыче.

Есть множество причин, по которым мы хотели бы отказаться от использования кобальта. Для нас это технический вопрос, но его последствия могут быть экологическими, экономическими и социальными. Мы рады представить новую альтернативу кобальту, используя сочетание элементов, включая литий, никель, марганец, кремний и кислород, —Ацуо Ямада, профессор департамента химической системной инженерии.

Выносливость в 1000 циклов

Новые электроды и электролит, разработанные командой Ямады, не только не содержат кобальта, но и улучшают характеристики батареи. LIB без кобальта обладают энергетической плотностью, превосходящей аналоги на 60%, что означает более долгий срок службы. Они могут выдавать напряжение 4,4 вольта, в отличие от обычных LIB, напряжение которых составляет около 3,2–3,7 вольта.

Но одним из самых удивительных технологических достижений было улучшение перезарядки. Тестовые батареи смогли полностью заряжаться и разряжаться более 1 000 циклов, имитируя три года использования, потеряв при этом всего около 20% своей емкости.

Будущее без кобальта

Хотя исследования Ямады фокусировались на LIB, идеи, лежащие в основе их разработки, могут быть применены и к прочим электрохимическим процессам, включая другие типы батарей и даже электролитический распад воды.

Мы очень довольны результатами, однако путь к ним был не без трудностей. Нам пришлось тяжело работать, чтобы подавить различные нежелательные реакции, которые происходили в ранних версиях наших новых химических составах батарей. Нам еще есть куда стремиться, так как существуют незначительные реакции, которые необходимо устранить для продолжительности службы и обеспечения безопасности использования. На данный момент мы уверены, что исследование приведет к улучшению производительности батарей во многих задач, но те области, в которых требуется экстремальная долговечность и срок службы, пока что для нас недоступны, —Ацуо Ямада.