Дроны застряли на 20 минутах полёта. Новая батарея удваивает время — стило лишь добавить одну молекулу
Дроны давно упёрлись не в моторы и не в электронику, а в аккумуляторы. Чем больше батарея, тем дольше полёт, но тем меньше полезной нагрузки можно поднять. Китайские исследователи предложили новый вариант литий-серной батареи, который должен решить одну из главных проблем этой химии и заметно увеличить время работы беспилотников.
Разработку представила команда под руководством Международной высшей школы Цинхуа в Шэньчжэне. Исследователи изменили работу литий-серной батареи на молекулярном уровне: добавили специальное вещество, которое включается только во время серной реакции, удерживает нежелательные промежуточные соединения и помогает заряду проходить через аккумулятор с меньшими потерями.
Литий-серные батареи давно считают возможной заменой литий-ионным элементам, особенно там, где важен каждый грамм. Сера дешёвая, распространённая и теоретически позволяет хранить гораздо больше энергии, чем нынешние аккумуляторы для коммерческих дронов. Обычные литий-ионные батареи чаще всего дают меньше 300 ватт-часов на 2,2 фунта, то есть примерно на килограмм. Для беспилотника такой предел быстро превращается в выбор между дальностью, временем в воздухе и грузом.
Главная проблема литий-серной химии возникает во время зарядки и разрядки. Внутри батареи образуются растворимые промежуточные соединения серы. Они начинают перемещаться по аккумулятору, замедляют реакции, уносят активный материал из нужной зоны и постепенно снижают эффективность. Из-за этого литий-серные батареи годами оставались перспективной, но капризной технологией: на бумаге энергии много, в реальной эксплуатации стабильности не хватает.
Китайская команда решила вмешаться именно в этот процесс. Исследователи ввели добавку, которую называют премедиатором для электрохимии серы. В спокойном состоянии молекула почти не участвует в работе батареи. Когда начинается серная реакция, добавка активируется прямо в зоне реакции, связывает блуждающие промежуточные соединения и улучшает перенос заряда.
Если объяснять проще, внутри аккумулятора появляется химический помощник, который не мешает системе до нужного момента, а затем быстро собирает соединения, обычно вызывающие потери. Благодаря этому реакции идут по более короткому и эффективному пути, а электрохимический процесс становится устойчивее при многократной зарядке и разрядке.
Исследователи также перестроили внутреннюю сеть реакций на молекулярном уровне. По их данным, новая схема снизила внутреннее сопротивление батареи на 75% по сравнению с обычными литий-серными конструкциями. Для аккумулятора это важный показатель: меньшее сопротивление означает меньшие потери энергии, меньше лишнего нагрева и более эффективную отдачу мощности.
В лабораторных испытаниях батарея выдержала 800 циклов зарядки и разрядки, сохранив почти 82% начальной ёмкости. Для литий-серной технологии такой результат особенно важен, потому что долговечность всегда оставалась слабым местом этого направления.
Команда также собрала прототип пакетного аккумуляторного элемента. Он показал плотность энергии 549 ватт-часов на 2,2 фунта, почти вдвое выше многих батарей, которые сегодня ставят на дроны. В пересчёте на привычные единицы речь идёт примерно о 549 ватт-часах на килограмм.
Для беспилотников такой прирост может сразу дать практический эффект. При той же массе аккумулятора дрон сможет дольше оставаться в воздухе, лететь дальше или брать больше груза. В доставке это означает более длинные маршруты без промежуточной зарядки. При инспекции ЛЭП один аппарат сможет проверить больше опор за вылет. В поисково-спасательных операциях дополнительные минуты в воздухе могут стать особенно ценными, потому что дрону приходится обследовать большие территории и передавать изображение спасателям.
Пока разработка остаётся лабораторной, и до массового применения в дронах батарею ещё нужно довести через испытания, масштабирование производства и проверку безопасности. Но сама стратегия может оказаться шире одного типа аккумуляторов. Исследователи считают, что молекулярный подход пригодится для проточных батарей, литий-металлических аккумуляторов и технологий переработки батарей.