Исследователи из Кембриджского университета обнаружили, что материалы, известные как оксиды ниобия вольфрама, образуют микроскопические структуры, которые позволяют протекать через них ионы лития гораздо большими темпами, чем позволяет современная технология. Находка может стать ключом к созданию литий-ионных элементов нового поколения, которые заряжаются в течение нескольких минут, а не часов, и не подвержены опасному перегреву.
Литий-ионные аккумуляторы были прекрасным новшеством с момента их появления в начале 1990-х годов, но их плотность энергии только улучшалась с 3 до 4 процентов в год, гораздо медленнее, чем производители бытовой электроники и электромобилей хотели бы. Более того, эти улучшения обычно исходят от оптимизации упаковки материалов, а не самих электродов. И такая в стратегия практически не позволяет устранить еще один присущий недостаток технологии батареи - ее медленную скорость зарядки.
Для повышения скорости зарядки необходимо повысить скорость, с которой электрически заряженные ионы лития перемещаются от положительного к отрицательному электроду. В прошлом ученые пытались достичь этого, создавая в электродах своеобразные наноструктуры, обычно с целью уменьшения расстояния, по которому должны двигаться ионы лития. Но наночастицы сложны и дороги для работы с ними, и они также производят нежелательные химические реакции, которые сокращают срок службы батареи.
В новом последнем развитии технологии, исследователи из Кембриджского университета пошли по другому пути, выбрав более крупные частицы с жесткими открытыми стержне-подобными структурами, которые позволяют беспрепятственно и в больших количествах перемещаться ионам лития, улучшая их поток на несколько порядков.
Новый электродный материал также может быть более безопасной альтернативой. Отрицательные электроды в большинстве литий-ионных батарей изготовлены из графита, который, особенно при высокой загрузке, может образовывать дендриты, микроскопические литиевые волокна, которые могут закоротить элемент батареи или даже поджечь ее. Новые электроды не страдают этой проблемой.
«В высокоскоростных приложениях безопасность является более серьезной проблемой, чем в приложениях с любыми другими условиями эксплуатации», - говорит профессор Клэр Грей (Clare Grey), старший автор исследования. «Эти материалы и, возможно, другие, подобные им, определенно заслуживают внимания для приложений с быстрой зарядкой, где вам нужна более безопасная альтернатива графиту».
Наноструктуры делаются в несколько шагов и имеют низкую производительность, создавая проблемы в массовом серийном производстве. С другой стороны, оксиды ниобия вольфрама, как сообщается, проще изготавливать и для этого не требуются дополнительные химикаты и дополнительные финансовые вливания.
Разумеется, потребуется сделать еще больше работ, но это открытие может дать новые направления исследований для создания безопасных и быстрозарядающихся батарей для приложений в электромобилестроении и хранении электроэнергии.
Исследование, в котором подробно описывалось продвижение, было опубликовано в журнале Nature.
Источник: New Atlas / University of Cambridge
