Кальциевые аккумуляторы для смартфонов: 1000 циклов зарядки с минимальной деградацией

Технология кальциевых аккумуляторов совершила ключевой прорыв, который в будущем может привести к их использованию в смартфонах и других портативных устройствах, что кардинально изменит подход к автономности гаджетов. Согласно отчётам, такие батареи после 1000 циклов полной зарядки и разрядки теряют лишь 26% ёмкости, сохраняя 74% от первоначального уровня.

Кальций — пятый по распространённости элемент в земной коре, что делает его более доступным ресурсом по сравнению с литием и создаёт основу для масштабного производства.

Кальциевые аккумуляторы также обладают превосходной стабильностью материалов. Кальций имеет высокую температуру плавления (около 980°C), нетоксичен и экологически безопасен. Теоретическая объёмная плотность энергии таких батарей достигает 3202 Вт·ч/л, что выше, чем у современных коммерческих кремний-углеродных литий-ионных аккумуляторов (около 2800 Вт·ч/л).

Прорыв стал возможен благодаря разработке учёных из Гонконгского университета науки и технологий, которые создали квазитвёрдый кальциевый электролит. Этот материал эффективно решает проблему растворения электродов во время заряда и разряда, повышая эффективность переноса ионов и замедляя старение батареи.

При низких токах новая батарея демонстрирует плотность энергии, сопоставимую с литий-ионными аналогами. При повышении напряжения до 3,6 В плотность энергии может быть увеличена до 1800 Вт·ч/л.

Для решения проблемы большого размера и высокой плотности заряда ионов кальция, которые могут влиять на стабильность циклов, исследователи использовали оксид молибдена-ванадия (MoVO) со структурой, содержащей большие пустоты (семиугольные и шестиугольные каналы). Этот материал служит «хозяином» для ионов кальция. Тесты показали, что ионы кальция могут быстро внедряться и извлекаться, а MoVO демонстрирует отличные характеристики хранения.

Кроме того, поскольку ион кальция является двухвалентным, каждый вставленный ион переносит два электрона, что теоретически позволяет создавать батареи с аналогичной эффективностью, но меньшими массой и объёмом.

Однако у технологии всё ещё есть нерешённые задачи. Из-за большего размера ионы кальция перемещаются медленнее, что приводит к более долгой зарядке. Кроме того, инфраструктура для добычи, переработки кальция и производства таких аккумуляторов ещё не развита, поэтому их коммерциализация потребует времени.

Интересный факт: Исследования в области альтернативных литию аккумуляторов активно ведутся по всему миру. Помимо кальциевых, перспективными считаются натрий-ионные и магниевые батареи. Натрий, как и кальций, гораздо более распространён, чем литий, что потенциально может значительно снизить стоимость аккумуляторов в будущем и уменьшить зависимость от ограниченных ресурсов.