Технологичният университет Chalmers в Швеция и Националният институт по химия на Словения създадоха концепция за нова алуминиева батерия с двойно по-висока енергийна плътност в сравнение с тази на предшественичките си. Тя е изработена от достъпни материали и употребата й може да доведе до по-ниски производствени разходи и да има благоприятно въздействие върху околната среда. Според информацията на създателите разработката има потенциал за широкомащабни приложения, включително за съхранение на слънчева и вятърна енергия.
Новата концепция се състои съответно от алуминиев анод и катод от антрахинон на основата на органичен материал. Органичният катоден материал осигурява ефективно съхранение на положително заредените носители от електролит на базата на алуминий и хлор – разтвор, в който йоните могат да се движат между електродите. Използването на технологията на алуминиевите батерии би предложило различни предимства, сред които висока теоретична енергийна плътност както и факта, че вече съществува утвърдена индустрия за производство и рециклиране. В сравнение със съвременните литиево-йонни батерии новата изследователска разработка може да доведе до значително намаляване на производствените разходи.
Изследователската работа на екипа е публикувана в Energy Storage Materials.
Патрик Йохансон, професор от катедрата по физика на Chalmers, обяснява: „Материалните разходи и въздействието върху околната среда, които очакваме от новата ни концепция, са много по-ниски от тези, които имаме днес. Това прави разработката подходяща за широкомащабни приложения, например в соларни паркове или за съхранение на вятърна енергия. Нашата нова концепция предлага и два пъти по-голяма енергийна плътност в сравнение с познатите алуминиеви батерии“.
Предишните проекти за алуминиеви батерии използват алуминия като анод (отрицателен електрод) и графита като катод (положителен електрод). Но графитът предлага твърде ниска енергийна стойност, за да може да осигури батерии с достатъчно висока и максимално полезна производителност.
В новата разработка, представена от Патрик Йохансон от Chalmers в сътрудничество с изследователски екип в Любляна, ръководен от Робърт Доминко, графитът е заменен от органичен наноструктуриран катод, направен от антрахинонова въглеродна молекула. Катодът от антрахинон е разработен основно от Ян Битенк от групата на Националния институт по химия в Словения, работил по проекта по покана на Chalmers като гостуващ изследовател. Предимството на тази органична молекула в катодния материал е, че тя позволява съхранението на положително заредени носители от електролита – разтвора, в който йоните се движат между електродите, което прави възможна по-голямата енергийна плътност на батерията.
Изследователят на Chalmers Никлас Линдал, който изучава вътрешните механизми, осигуряващи съхранението на енергията, обяснява: „Тъй като новият катоден материал позволява използването на по-подходящ носител на заряд, батериите могат по-добре да използват потенциала на алуминия. В момента продължаваме да работим, като търсим още по-добър електролит. Сегашната версия съдържа хлор – искаме да се отървем от него„.
Към момента алуминиевите батерии нямат търговско приложение и са сравнително нови дори сред изследователите. Големият въпрос е дали алуминиевите батерии могат да заменят литиево-йонните.
Професор Йохансон споделя още: „Разбира се, надяваме се да успеят. Но преди всичко те могат да бъдат използвани като алтернатива и да позволят употребата на литиево-йонни батерии само там, където това е истински наложително. Към момента алуминиевите батерии са наполовина по-малко мощни от литиево-йонните, но нашата дългосрочна цел е да постигнем същата енергийна плътност. Остава да се работи с електролита и да се разработят по-усъвършенствани механизми за зареждане, но по принцип алуминият е много по-добър носител на заряд от лития, тъй като е многовалентен, което означава, че всеки йон „компенсира“ няколко електрона. Освен това батериите могат да бъдат значително по-малко вредни за околната среда.“