Забудьте о литии: кальциевые батареи — будущее носимой электроники

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Все мы знаем, что литий — основной компонент современных перезаряжаемых батарей, которые используются во многих потребительских продуктах, таких как смартфоны, ноутбуки и электромобили. Но литий не идеален: он дорогой, редкий, быстро стареет и требует специальных мер предосторожности при зарядке. Поэтому ученые ищут альтернативные материалы, которые могли бы заменить литий или дополнить его в батареях нового поколения.

Схема аккумуляторной батареи Ca-O2 батарея с выровненным листом CNT в качестве катода, металлом Ca в качестве анода и 0,5 м Ca(TFSI)2 in EMIM-BF4/DMSO (50:50 об.) в виде электролита. Со стороны катода O2 восстанавливается и соединяется с Ca2+ в электролите с образованием CaO2 во время разряда, а обратная реакция происходит во время зарядки. Со стороны анода металлический Ca удаляется во время разряда и повторно покрывается при перезарядке.
Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06949-x Источник: dx.doi.org

Одним из таких материалов является кальций, который имеет ряд преимуществ перед литием. Кальций в 2500 раз более распространен, чем литий, что делает его более доступным и дешевым. Кроме того, кальций имеет большую электрохимическую емкость, то есть способность хранить больше энергии в единице массы. Теоретически, кальциевые батареи могут иметь в два раза большую энергетическую плотность, чем литиевые, что означает, что они могут работать дольше на одном заряде.

Но создание кальциевых батарей не такое простое дело, как может показаться. Существует много технических проблем, которые нужно решить, прежде чем кальциевые батареи станут реальностью. Одна из самых больших проблем — это поиск подходящих материалов для электролита и электродов, которые могут обеспечить стабильность и безопасность кальциевых батарей. Электролит — это вещество, которое проводит электрический ток между электродами, а электроды — это материалы, которые участвуют в химических реакциях при зарядке и разрядке батареи.

Одним из наиболее перспективных вариантов для кальциевых батарей является сочетание кальция и кислорода, которое, по предположению ученых, может иметь самую высокую энергетическую плотность среди кальциевых батарей. Однако, такие батареи сталкиваются с рядом трудностей, таких как неактивность материалов разряда, то есть тех, которые образуются на электродах во время разрядки, и сложность подбора электролита, который может работать с кальцием и кислородом.

Недавно китайская многоинститутская группа инженеров добилась значительного прорыва в разработке кальциево-кислородной батареи, которая может выдерживать 700 циклов зарядки-разрядки при комнатной температуре. Это важный результат, так как большинство кальциевых батарей требуют высоких температур для работы, что снижает их практичность и безопасность. Китайские исследователи смогли создать новый тип жидкого электролита, который работает с кальцием и кислородом, используя двухэлектронный окислительно-восстановительный процесс и определенные пропорции материалов. Они также встроили свою батарею в гибкие волокна, которые они сплели в ткань, демонстрируя возможность создания носимых устройств на основе кальциевых батарей.

Конечно, кальциево-кислородная батарея, разработанная китайскими инженерами, еще далека от коммерческого использования. Ее эффективность все еще ниже, чем у литиевых батарей, а также есть вопросы по поводу ее долговечности, масштабируемости и стоимости. Но это впечатляющий шаг вперед в исследовании кальциевых батарей, которые могут стать новой надеждой для энергетики будущего. Кальциевые батареи могут не только заменить литиевые батареи в некоторых областях применения, но и совместно работать с ними, создавая гибридные системы, которые могут улучшить производительность и безопасность. Кальциевые батареи также могут способствовать развитию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, которые требуют надежных и дешевых способов хранения энергии. В общем, кальций — это элемент, который заслуживает нашего внимания и изучения.

15 комментариев

B
«Кроме того, кальций имеет большую электрохимическую емкость, то есть способность хранить больше энергии в единице массы»
Ой, что-то я сомневаюсь. Можно с этого места поподробнее?
А
Тоже интересно, не нашёл инфу. Не прям упоролся искать, конечно, по дефолтной схеме «если нет на первой странице Гугла – значит, нет в интернете», но всё же.
112063838356925876501@google
Ответ чата джипити:
«На самом деле, литий имеет большую электрохимическую емкость по сравнению с кальцием. Литий обладает более высокой способностью хранить энергию в единице массы, что делает его более популярным для использования в литий-ионных аккумуляторах, чем кальций».
112063838356925876501@google
Вообще, далее я спрашиваю почему, и вышел довольно интересный диалог:
Джипи: Конечно, вот подробное объяснение:
1. **Масса атомов:** Литий имеет меньшую атомную массу по сравнению с кальцием. Масса атома кальция примерно в 4 раза больше массы атома лития.
2. **Заряд ядра:** Чем больше атомная масса, тем обычно больше заряд ядра. У кальция больше заряд ядра, чем у лития, из-за большего количества протонов в его ядре.
3. **Электронная конфигурация:** У кальция больше электронов, чем у лития. Это означает, что у кальция больше электронных оболочек, что вносит различия в его химические свойства.
4. **Ионизационная энергия:** Это энергия, необходимая для удаления электрона из атома. У лития она меньше, чем у кальция, из-за меньшего заряда ядра и меньшего размера атома. Меньшая ионизационная энергия делает литий более реакционноспособным и хорошим кандидатом для использования в литий-ионных аккумуляторах.
Таким образом, хотя кальций обладает высокой электрохимической емкостью, его масса и другие факторы делают литий более привлекательным для использования в аккумуляторах, где важна энергоемкость на единицу массы.
====
Хакод: В теории, если найти более удачный электролит для кальция, возможно ли создать из него более эффективную батарею, чем литиевая?
====
Джипи: Да, в теории это возможно.
====
Хакод: На базе всех знаний, которые в тебя заложены, какой состав электролита, в каких пропорциях и почему на твой взгляд был бы самым эффективным для кальциевой батареи?
====
Джипи: Понял, вот оптимальный состав электролита для кальциевой батареи на мой взгляд:
**Состав электролита:**
— **Раствор кальция:** Вода является хорошим растворителем для кальция, поэтому начнем с рассмотрения водного раствора кальция.
— **Лиганды:** Добавление органических лигандов, таких как эфиры или амиды, может помочь улучшить растворимость кальция и стабилизировать его ионы в растворе. Например, эфиры, такие как дигликольдиэттиленгликоль и триэтиленгликоль, могут использоваться в качестве лигандов.
— **Электролитическая соль:** Добавление солей, таких как хлорид кальция (CaCl2), может увеличить электропроводность раствора и улучшить его характеристики в качестве электролита.
**Пропорции:**
— Оптимальные пропорции будут зависеть от конкретных условий и требований батареи, таких как температура, концентрация кальция и электрохимические свойства выбранных лигандов и солей.
— Примерно могут использоваться концентрации кальция от 0.1 до 1 моль/литр, в зависимости от специфических потребностей и условий работы батареи.
**Почему это эффективно:**
— Этот состав обеспечивает хорошую растворимость кальция и стабилизацию его ионов в растворе, что способствует эффективной работе кальциевой батареи.
— Органические лиганды помогают снизить образование нежелательных осадков и улучшить проводимость раствора.
— Электролитическая соль повышает электропроводность раствора, что содействует эффективной передаче заряда между электродами.
Такой состав электролита обеспечивает баланс между растворимостью кальция, электропроводностью и стабильностью раствора, что делает его эффективным для использования в кальциевых батареях.
====
Хакод: Такие батареи будут эффективнее литиевых?
====
Джипи: На данный момент трудно утверждать, что кальциевые батареи будут более эффективными чем литиевые, так как кальциевые батареи до сих пор находятся на стадии исследований и разработок, в то время как литиевые батареи уже широко используются и прошли множество итераций оптимизации.
Однако кальциевые батареи имеют потенциал стать конкурентоспособными по ряду причин:
1. **Доступность сырьевых материалов:** Кальций является более распространенным элементом, чем литий, и его добыча и производство могут быть более доступными и дешевыми.
2. **Энергоемкость:** Кальций имеет более высокую электрохимическую емкость по сравнению с литием, что может привести к более высокой плотности энергии батареи.
3. **Безопасность:** Кальциевые батареи могут быть более безопасными, так как кальций менее реакционен и менее склонен к образованию дендритов (опасных металлических отростков), чем литий.
4. **Экологическая устойчивость:** Использование кальциевых батарей может быть более экологически устойчивым, так как кальций менее токсичен и более распространен, чем литий.
Однако для того чтобы кальциевые батареи стали реальной альтернативой литиевым, необходимо преодолеть ряд технических проблем, таких как разработка эффективных электролитов, улучшение электродов и решение проблемы образования металлического кальция на аноде.
Таким образом, хотя кальциевые батареи имеют потенциал стать эффективными альтернативами литиевым, на данный момент требуется еще много исследований и разработок, чтобы определить их конечную эффективность и конкурентоспособность.
112063838356925876501@google
Дополнительный вопрос:
Хакод: Как ты бы решил проблему образования металлического кальция на аноде? На основе всех загруженных в тебя знаний, что именно ты бы предложил (с максимальной конкретикой) для решения этой проблемы?
====
Джипи: Для решения проблемы образования металлического кальция на аноде кальциевых батарей, я бы предложил следующее:
1. **Использование функциональных покрытий на аноде:** Применить на поверхности анода покрытие на основе полимеров, содержащее функциональные группы, способные реагировать с металлическим кальцием, образующимся во время зарядки. Например, покрытие на основе полиэфира, содержащее карбоксильные группы, которые образуют хелатные комплексы с ионами кальция, предотвращая их осаждение на поверхности анода.
2. **Оптимизация микроструктуры анода:** Создать анод с определенной микроструктурой, которая минимизирует адгезию металлического кальция к его поверхности. Например, использовать пористые или мезопористые материалы анода, чтобы снизить контактную площадь с металлическим кальцием и уменьшить риск его осаждения.
3. **Контролируемая электролитическая среда:** Регулировать состав и свойства электролита, чтобы создать условия, при которых образование металлического кальция на аноде минимизируется. Например, добавить ингибиторы осаждения металлического кальция в электролит, которые могут стабилизировать его ионы и предотвращать их осаждение на аноде.
4. **Управление процессом зарядки:** Разработать управляемую систему зарядки, которая предотвращает образование металлического кальция на аноде. Например, использовать пульсирующую зарядку с переменной частотой и амплитудой, чтобы предотвратить неравномерное осаждение кальция на аноде.
Эти методы могут помочь устранить проблему образования металлического кальция на аноде и повысить эффективность работы кальциевых батарей.
103439510101943193287@google
Литий одновалентный, он может отдать один электрон, превращаясь в литий-ион Li+, а кальций двухвалентный, он отдаёт два электрона и превращается в кальций-ион Ca2+. Таким образом, кальций в ? переносит в два раза больший заряд. Соответственно, кальций и хранит энергии больше… Но в единице объёма, а не массы, так как кальций гораздо тяжелее лития.
с
Каждый год говорят одно и тоже, а до серийного производства так и не доходит
A
У литий-ионных аккумуляторов 20+ лет ушло до начала серийного производства. Наберитесь терпения :)
s
Лет 20 ы разных источниках от журналов до интернет.об этом твердили неоднократно. А воз и ныне там
103439510101943193287@google
Синие светодиоды несколько десятилетий не могли сделать. Но всё же сделали, потому что стремились. И эти сделают, потому что работают, а не лясы чешут
I
Бред сивой кобылы. Химию учите.
103439510101943193287@google
В чём же бред-то, поясни, умник
102427299617031122790@google
Прикольно Димексид в батарее очень спорное решение с учётом его свойств
103439510101943193287@google
А что не так со свойствами ДМСО?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Сетевые фильтры Ritmix RM-2124, RM-2123C, RM-929C. Удлинителей много не бывает

Сегодня у меня мультиобзор сразу трёх сетевых фильтров от Ritmix. Почему так много? Ну вот так получилось. По предыдущим обзорам вы уже знаете, что я сейчас делаю ремонт в квартире, и поменял всю...

Долгоиграющие бюджетники, которые удивляют. Обзор TWS гарнитуры Tronsmart Sounfii R4 на 7 часов без подзарядки

Совсем недавно компания Tronsmart представила свои ультрабюджетные наушники Sounfii R4, которые сразу же привлекли внимание. Во-первых, это время работы до 7 часов без подзарядки, а во-вторых,...

Осветит и озвучит: обзор защищенного смартфона Fossibot F106 Pro

«Мобильный мультитул». Так можно описать впечатление от функциональности нового защищенного смартфона Fossibot F106 Pro. Здесь и яркий фонарик для освещения дороги или фоновой подсветки в палатке,...

Обзор Nothing Phone (2a): манифест технологичности и стиля. Смартфон, который переопределяет средний класс

Nothing Phone (2a) это пожалуй самый интересный смартфон среднего класса вышедший в 2024 году. Первый доступный аппарат от компании Nothing. Он пошел по стопам Google Pixel А и фактически является...

Случайность как художник: учёные обнаружили первую фрактальную молекулу

Природа, словно увлеченный художник, разбрасывает свои шедевры по всему миру. От изящных снежинок до причудливых изгибов раковин — повсюду мы видим симметрию, узоры и гармонию. Но...

Правильная высадка рассады томатов на грядку — ключ к богатому урожаю

Один из самых волнующих и ответственных моментов в жизни каждого огородника — момент, когда маленькие, только что проклюнувшиеся ростки томатов, переезжают на постоянное место...