Исследования аккумуляторов следующего поколения включают постоянные эксперименты с альтернативными материалами, которые могут дать значительный прирост производительности, и новый прорыв предлагает убедительный пример того, как это может выглядеть. Ученые создали экспериментальный литий-ионный элемент с электродом новой конструкции с «открытой и регулярной» кристаллической структурой, которая, по их словам, позволяет заряжать его в 10 раз быстрее, чем это делается в современных устройствах.
Литий-ионные батареи, которыми питаются современные электромобили, смартфоны и бесчисленное множество других устройств, имеют два электрода, катод и анод, и в этом новом исследовании основное внимание уделяется последнему. В настоящее время эти аноды изготавливаются из графита, который хорошо служит им во многих отношениях, но не может выдерживать сверхбыструю зарядку без выхода из строя.
Одно место, где ученые ищут новые и улучшенные аноды, - это материалы с наноразмерными пористыми структурами. Аноды такой природы обещают большую площадь контакта с жидким электролитом, который переносит ионы лития, в то же время позволяя ионам легче диффундировать в материал твердого электрода, что в конечном итоге осуществлять зарядку намного, намного быстрее.
Но пока у предложенных материалов есть недостатки. Неорганизованный и случайный характер каналов в пористой наноструктуре может привести к разрушению этих структур во время зарядки, а также к снижению плотности и емкости батареи, и может привести к накоплению лития на поверхности анода и ухудшению его характеристик с каждым циклом. Кроме того, производство этих материалов является сложным, включает использование агрессивных химикатов и приводит к значительным химическим отходам.
Ученые из Университета Твенте считают, что они нашли подходящую альтернативу в материале под названием ниобат никеля (NiNb2O6). В отличие от нерегулярной природы предыдущих решений, ниобат никеля имеет «открытую и правильную» кристаллическую структуру с идентичными повторяющимися каналами для переноса ионов.
Исследователи интегрировали этот анод из ниобата никеля в полностью заряженный аккумулятор и проверили его производительность. Также они обнаружили, что он обеспечивает сверхбыструю скорость зарядки в 10 раз быстрее, чем современные литий-ионные батареи. Отмечается, что ниобат никеля более компактен, чем графит, и поэтому имеет более высокую «объемную» плотность энергии, что можно приравнять к более легким и компактным коммерческим версиям элемента.
Ученые также сообщают, что новый анодный материал имеет высокую емкость, около 244 мАч/г, и поскольку изменение объема внутри ниобата никеля минимально во время работы, 81 процент его емкости сохранялся в течение 20 000 циклов. Все это происходит без повреждения материала анода, в то время как процесс производства ниобата никеля также считается гораздо более простым, чем процесс производства других наноструктурированных материалов, и не требует чистой комнаты для сборки.
По словам исследователей, эти результаты демонстрируют потенциал накопления энергии благодаря анодам из ниобата никеля в практических аккумуляторных устройствах. Они видят непосредственный потенциал в электросетевых приложениях для питания энергетического электрооборудования, нуждающегося в быстрой зарядке, или в грузовых электромобилях. Однако, по их словам, чтобы увидеть их адаптированными для использования в стандартных электромобилях, потребуются дальнейшие исследования и решение проблем.
По словам руководителя исследований, новый анод также будет работать с альтернативами литию.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.
Источник: University of Twente