Новий анодний матеріал може призвести до більш безпечних швидкозарядних акумуляторів

Вчені з університету Сан-Дієго виявили новий анодний матеріал, який дозволяє безпечно заряджати літій-іонні акумулятори протягом декількох хвилин протягом тисяч циклів. Відомий як невпорядкована кам’яна сіль, новий анод складається з рясних у землі атомів літію, ванадію та кисню, розташованих подібно до звичайної кухонної кухонної солі, але випадковим чином. Це перспективно для комерційних застосувань, де бажані як висока щільність енергії, так і велика потужність, такі як електромобілі, пилососи або дрилі.

Дослідження, проведене спільно наноінженерами в лабораторіях професорів Пінг Лю та Шюе Пінг Онг, було опубліковане в Природа 2 вересня.

В даний час два матеріали використовуються як аноди в більшості комерційно доступних літій-іонних акумуляторів, які живлять такі елементи, як мобільні телефони, ноутбуки та електромобілі. Найпоширеніший, графітовий анод, надзвичайно енергетично щільний — літій-іонна батарея з графітовим анодом може живити автомобіль на сотні миль без необхідності підзарядки. Однак занадто швидка зарядка графітового анода може призвести до пожежі та вибухів через процес, який називається металевим покриттям літієм. Більш безпечна альтернатива — титанат-літієвий анод — можна швидко зарядити, але це призводить до значного зменшення щільності енергії, а це означає, що акумулятор потрібно заряджати частіше.

Цей новий невпорядкований анод гірських порід — Li3V2О5 —Розташований у важливому середньому плані: використовувати його безпечніше, ніж графіт, але при цьому пропонує акумулятор принаймні на 71% більше енергії, ніж титанат літію.

"Ємність та енергія будуть трохи нижчими, ніж графіт, але це швидше, безпечніше і має довший термін служби. Він має набагато меншу напругу і, отже, значно покращену щільність енергії в порівнянні з поточними комерціалізованими анодами літій-титанатного літію", — сказав Хаодун Лю, докторант з лабораторії професора Пінг Лю та перший автор статті. "Отже, за допомогою цього матеріалу ми можемо зробити швидкозаряджувальні, безпечні акумулятори з тривалим терміном служби, не жертвуючи занадто великою щільністю енергії"

Для комерціалізації цього відкриття дослідники створили компанію під назвою Тайфаст. Першими ринками стартапу стануть електробуси та електроінструменти, оскільки вони мають характеристики Li3V2О5 невпорядкована кам'яна сіль робить її ідеальною для використання в пристроях, де перезарядку можна легко запланувати.

Дослідники в лабораторії професора Лю планують продовжувати розробку цього анодного матеріалу з оксиду літію-ванадію, одночасно оптимізуючи інші компоненти батареї для розробки комерційно життєздатної повної комірки.

"Довгий час спільнота акумуляторів шукала анодний матеріал, що працює з потенціалом трохи вище графіту, щоб забезпечити безпечну, швидку зарядку літій-іонних акумуляторів. Цей матеріал заповнює важливий пробіл у знаннях та застосуванні", — сказав Пінг Лю. "Ми раді його комерційному потенціалу, оскільки цей матеріал може стати рішенням для сучасного виробництва літій-іонних акумуляторів".

Навіщо спробувати цей матеріал?

Вперше дослідники експериментували з невпорядкованою гірською соллю як катодним акумулятором шість років тому. З тих пір було зроблено багато роботи з перетворення матеріалу на ефективний катод. Хаодун Лю заявив, що команда UC San Diego вирішила протестувати матеріал як анод на основі здогаду.

"Коли люди використовують його як катод, їм доводиться розряджати матеріал до 1,5 вольт", — сказав він. "Але коли ми розглянули структуру катодного матеріалу в 1,5 вольта, ми подумали, що цей матеріал має особливу структуру, яка може вміщувати більше іонів літію — це означає, що він може перейти на ще нижчу напругу, щоб працювати як анод".

В ході дослідження група виявила, що їх невпорядкований гірськосольовий анод може оборотно крутити два іони літію при середній напрузі 0,6 В — вище, ніж 0,1 В графіту, усуваючи металеве покриття літієм при високій швидкості заряду, що робить акумулятор безпечнішим, але нижче 1,5 В, при якому титанат літію інтеркалює літій, і, отже, зберігає набагато більше енергії.

Дослідники показали, що Li3V2О5 анод може циклічно рухатися протягом 6000 циклів із незначним спадом ємності і може швидко заряджати та розряджати енергію, забезпечуючи понад 40 відсотків своєї потужності за 20 секунд. Низька напруга та висока швидкість передачі енергії зумовлені унікальним перерозподільним механізмом інтеркаляції літію з низькими енергетичними бар'єрами.

Докторант Чжуойін Чжу з віртуальної лабораторії "Професор Шюе Пінг Онг" провів теоретичні розрахунки, щоб зрозуміти, чому невпорядкована гірська порода Li3V2О5 анод працює так само добре, як і зараз.

"Ми виявили, що Лі3V2О5 працює через зарядний механізм, який відрізняється від інших електродних матеріалів. Іони літію переставляють себе таким чином, що призводить як до низької напруги, так і до швидкої дифузії літію ", — сказав Чжуойін Чжу.

"Ми вважаємо, що існують інші електродні матеріали, які чекають на своє відкриття і працюють за подібним механізмом", — додав Онг.

Експериментальні дослідження в UC San Diego фінансувались нагородами від стартового фонду UC San Diego Пінгу Лю, тоді як теоретичні дослідження фінансувалися Міністерством енергетики та програмою Інфраструктури даних місцевої спектроскопії Національної наукової фундації (DIBBS). і використовував ресурси в суперкомп’ютерному центрі Сан-Дієго, що надаються в рамках Екстремального науково-технічного середовища відкриття (XSEDE).

Facebook Comments