Разработан аккумулятор на основе кальция, способный выдержать рекордные 500 циклов перезарядки

Исследовательская группа Университета Тохоку разработала прототип металло-кальциевой (Ca) аккумуляторной батареи, способной выдержать 500 циклов заряда-разряда — это является эталонным показателем для практического использования. О прорыве было сообщено в журнале Advanced Science 19 мая 2023 года.

В связи с ростом использования электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии необходимость изучения альтернатив литийионным батареям как никогда высока. Одной из таких замен являются металлические батареи на основе кальция. Являясь пятым по распространённости элементом в земной коре, кальций широко доступен и недорог, а также имеет более высокий потенциал плотности энергии, чем литий. Также считается, что его свойства помогают ускорить перенос ионов и диффузию в электролитах и катодных материалах, что даёт ему преимущество перед другими альтернативами литийионным батареям, такими как магний и цинк.

Однако на пути коммерческой эксплуатации металло-кальциевых батарей остаётся много препятствий. Отсутствие эффективного электролита и катодных материалов с удовлетворительными условиями хранения элемента оказались основными камнями преткновения. Ещё в 2021 году члены нынешней исследовательской группы нашли решение первой проблемы, создав новый бесфторный электролит на основе кластера водорода (монокарборана). Электролит продемонстрировал заметно улучшенные электрохимические характеристики, такие как высокая проводимость и высокая электрохимическая стабильность.

«В рамках нашего текущего исследования мы протестировали длительную работу металлической батареи на основе кальция с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS) и углеродного композита с электролитом на основе гидрида» — рассказал Казуаки Кису (Kazuaki Kisu), доцент Института исследования материалов (IMR) Университета Тохоку. Являясь природным минералом, CuS обладает благоприятными электрохимическими свойствами. Его слоистая структура позволяет ему хранить различные катионы, включая литий, натрий и магний. Его теоретическая ёмкость составляет 560 мА·ч на грамм — это в два-три раза больше, чем у существующих катодных материалов для литийионных батарей.

Благодаря наночастицам и композиту с углеродными материалами Кису и его коллегам удалось создать катод, способный накапливать большое количество ионов кальция. При использовании электролита гидридного типа они создали батарею с очень стабильными показателями циклической работы. Прототип батареи сохранит 92 % ёмкости после 500 циклов.

Группа уверена, что их открытие поможет продвинуть исследования в области катодных материалов для батарей на основе кальция.