Создан аккумулятор, который не боится холода
Зимняя погода может создавать перегрузки в энергосистемах, останавливать электромобили и лишать резервные батареи способности отдавать энергию именно тогда, когда она нужна сильнее всего. В Техасском университете A&M разработали аккумулятор, который продолжает работать даже в самые лютые холода.
Разработкой руководила профессор Джоди Луткенхаус. Результаты — двухионная органическая батарея — описаны в Journal of Materials Chemistry A.
По словам исследовательницы, на холоде эффективность аккумуляторов падает из-за жидкого электролита.
«Если электролит замерзает, перенос заряда прекращается. Следовательно, аккумулятор перестает заряжаться и разряжаться, — объясняет она. — Мы воочию наблюдали эту проблему во время аномальных холодов в Чикаго в 2024 году: аккумуляторы электромобилей настолько промерзли, что не могли заряжаться даже на специальных станциях».
Разработанный командой аккумулятор способен давать ток при температурах до 50 градусов ниже нуля.
«Нам удалось этого добиться, заменив замерзающий жидкий электролит на другой состав, которому застывание не грозит. Кроме того, мы отказались от жестких неорганических материалов, которые при низких температурах работают медленно, в пользу более активных полимеров, напоминающих по свойствам мягкие полимерные соединения», — говорит Луткенхаус.
Вместо неорганических электродных материалов, используемых в большинстве серийных аккумуляторов, в новинке применены редокс-активные полимеры. Электролит на основе диглима сохраняет текучесть и проводимость в условиях, при которых обычные электролиты уже начинают густеть или кристаллизоваться.
В испытаниях аккумулятор сохранял 85% емкости при 0° C и 55% при −40 °C, демонстрируя при этом высокие показатели удельной мощности. Более того, он может давать ток даже при −50 °C, но циклическая работоспособность в такой стуже не проверялась.
Почему аккумуляторы отказывают на морозе
Работа любого аккумулятора основана на перемещении ионов через электролит; с падением температуры этот процесс резко замедляется. Это ограничение обошли, объединив низкотемпературный электролит с мягкими полимерными электродами.
«Жесткие неорганические материалы при низких температурах обычно работают медленно, а полимеры обеспечивают более свободное перемещение ионов. Когда мы используем материалы, которые по своей природе устойчивы к холоду, аккумулятору не приходится бороться с собственной химией», — подчеркивает химик.
Углеродное волокно: прочность и стабильность
Исследователи также решили проблему механической прочности — еще одного фактора, ограничивающего работу аккумуляторов в экстремальных условиях. Вместо металлических токосъемников, которые увеличивают вес и могут треснуть под нагрузкой, они применили ткань из углеродного волокна. Такой подход обеспечил армирование батареи без ущерба для токопроводящих свойств.
Результат — «структурный аккумулятор», который одновременно накапливает энергию и выполняет несущую функцию. Подобные конструкции перспективны для электромобилей, дронов и любых систем, где важны вес и механическая прочность.
«Механические нагрузки со временем разрушают аккумулятор. Создавая батареи, которые сами становятся частью конструкции, мы одновременно снижаем вес и повышаем надежность», — говорит Луткенхаус.
Шаг к холодостойким накопителям энергии
Надежная работа при низких температурах может изменить ситуацию для устройств — от портативной электроники до объектов критической инфраструктуры.
«При мощном урагане или резком похолодании электросети могут выйти из строя. Аккумуляторы способны компенсировать эти перебои. Если мы хотим создать энергосистему, устойчивую в любых климатических условиях, нам нужны накопители, которым не страшны температурные колебания», — убеждена профессор.
Разработка еще только на стадии исследований, но уже очевидно светлое будущее, которое она приближает. А пока исследовательница дает практический совет: «Если вы переживаете за свой электромобиль или автономную аккумуляторную систему, лучше занести ее в помещение или хотя бы держать в более теплом гараже, подальше от непогоды, — тогда она не замерзнет».
