Теперь Садоуей и его команда нашли еще один набор химических компонентов, которые могут сделать технологию еще более практичной и доступной, а также открыть целую семью потенциальных вариантов, которые можно использовать за счет местных ресурсов.Последние результаты опубликованы в журнале Nature Communications, в статье Садоуея, профессора химии материалов Джона Ф. Эллиотта, и постдока Таканари Оучи, а также Ходжонга Кима (ныне профессора Университета Пенсильвании) и аспиранта. Брайан Спатокко из Массачусетского технологического института.
Они показывают, что кальций, распространенный и недорогой элемент, может составлять основу как слоя отрицательного электрода, так и расплавленной соли, которая образует средний слой трехслойной батареи.По словам Садоуэя, это было весьма неожиданным открытием.
У кальция есть некоторые свойства, из-за которых он казался особенно маловероятным кандидатом для работы с батареями такого типа. Во-первых, кальций легко растворяется в соли, и все же важной особенностью жидкой батареи является то, что каждый из трех ее компонентов образует отдельный слой, в зависимости от плотности материалов, подобно тому, как разные ликеры разделяются в некоторых коктейлях-новинках. Важно, чтобы эти слои не смешивались на своих границах и сохраняли свою индивидуальность.По его словам, именно кажущаяся невозможность заставить кальций работать в жидкой батарее привлекла Оучи к проблеме. «Это был самый сложный химический процесс», чтобы заставить его работать, но он имел потенциальные преимущества из-за низкой стоимости кальция, а также присущего ему высокого напряжения в качестве отрицательного электрода. «Для меня меня больше всего устраивает то, что труднее всего», — говорит он, что, как отмечает Садоуэй, является очень типичным отношением в Массачусетском технологическом институте.
Еще одна проблема с кальцием — его высокая температура плавления, которая заставила бы жидкую батарею работать при почти 900 градусах Цельсия, «что нелепо», — говорит Садовей. Но обе эти проблемы были разрешимы.Во-первых, исследователи решили проблему температуры, сплавив кальций с другим недорогим металлом, магнием, который имеет гораздо более низкую температуру плавления.
Полученная смесь обеспечивает более низкую рабочую температуру — примерно на 300 градусов ниже, чем у чистого кальция, — при этом сохраняя при этом преимущество кальция в высоком напряжении.Другое ключевое нововведение заключалось в рецептуре соли, используемой в среднем слое батареи, называемой электролитом, который носители заряда или ионы должны пересекать при использовании батареи.
Миграция этих ионов сопровождается электрическим током, протекающим по проводам, которые соединены с верхним и нижним слоями расплавленного металла, электродами батареи.Новая рецептура соли состоит из смеси хлорида лития и хлорида кальция, и оказывается, что кальций-магниевый сплав плохо растворяется в этом виде соли, что решает другую проблему, связанную с использованием кальция.
Но решение этой проблемы также привело к большому удивлению: обычно есть один «странствующий ион», который проходит через электролит в перезаряжаемой батарее, например, литий в литий-ионных батареях или натрий в натрий-серных. Но в этом случае исследователи обнаружили, что несколько ионов в расплавленном солевом электролите способствуют потоку, увеличивая общий выход энергии батареи.
По словам Садоуэя, это была совершенно случайная находка, которая может открыть новые возможности в разработке батарей.По словам Садоуэя, есть еще один потенциальный большой бонус в этой новой химии батарей. «Здесь есть ирония.
Если вы пытаетесь найти рудные тела высокой чистоты, магний и кальций часто встречаются вместе», — говорит он. Требуются большие усилия и энергия, чтобы очистить одно или другое, удалив кальций «загрязнитель» из магния или наоборот. Но поскольку материал, который потребуется для электрода в этих батареях, представляет собой смесь двух, можно сэкономить на первоначальных затратах на материалы, используя «более низкие» сорта двух металлов, которые уже содержат некоторые из других металлов.
«Есть целый уровень оптимизации цепочки поставок, о котором люди не задумывались», — говорит он.Садовей и Оучи подчеркивают, что эти конкретные химические комбинации — лишь верхушка айсберга, которая может стать отправной точкой для новых подходов к разработке рецептур батарей. И поскольку все эти жидкие батареи, включая оригинальные материалы для жидких батарей из его лаборатории и те, которые разрабатываются в Амбри, будут использовать аналогичные контейнеры, изоляционные системы и электронные системы управления, реальный внутренний химический состав батарей может со временем развиваться. Они также могут адаптироваться к местным условиям и доступности материалов, используя в основном те же компоненты.
«Урок здесь состоит в том, чтобы исследовать различные химические соединения и быть готовыми к изменению рыночных условий», — говорит Садовей. То, что они разработали, «не является батареей; это целая область батареи.
Со временем люди могут исследовать больше частей таблицы Менделеева», чтобы найти все более совершенные формулы, — говорит он.