Загадка літій-іонного акумулятора розкрита десятиліттями

Протягом багатьох років дослідники прагнули дізнатись більше про групу оксидів металів, які є перспективними як ключові матеріали для наступного покоління літій-іонних акумуляторів через їх таємничу здатність зберігати значно більше енергії, ніж це могло б бути можливим. Міжнародна дослідницька група, яку спільно очолює Техаський університет в Остіні, зламала код цієї наукової аномалії, зруйнувавши бар'єр для побудови надшвидких акумуляторних систем накопичення енергії.

Команда виявила, що ці оксиди металів мають унікальні способи накопичення енергії поза класичними електрохімічними механізмами накопичення. Дослідження, опубліковане в Природні матеріали, виявив декілька типів металевих сполук, які мають втричі більше енергозберігаючих можливостей порівняно з матеріалами, поширеними в сьогоднішніх комерційно доступних літій-іонних акумуляторах.

Розшифровуючи цю таємницю, дослідники допомагають розблокувати батареї з більшою енергетичною потужністю. Це може означати менші та потужніші акумулятори, здатні швидко доставляти заряди за все — від смартфонів до електромобілів.

"Протягом майже двох десятиліть дослідницьке співтовариство бентежило аномально високий потенціал цих матеріалів за їх теоретичні межі", — сказав Гуйхуа Ю, доцент кафедри машинобудування Уокера в Інженерній школі Корелла і один з лідерів проекту. "Ця робота демонструє перші експериментальні дані, які показують, що надмірний заряд фізично зберігається всередині цих матеріалів за допомогою механізму зберігання космічного заряду".

Щоб продемонструвати це явище, команда знайшла спосіб контролювати та вимірювати, як елементи змінюються з часом. У проекті взяли участь дослідники з UT, Массачусетського технологічного інституту, Університету Ватерлоо в Канаді, Китайського університету Шаньдун, Китайського університету Циндао та Китайської академії наук.

В центрі відкриття є оксиди перехідних металів, які є сполуками, що включають кисень, зв’язаний з перехідними металами, такими як залізо, нікель та цинк. Енергія може зберігатися всередині оксидів металів — на відміну від типових методів, за допомогою яких іони літію переміщуються і виходять з цих матеріалів або перетворюють їх кристалічні структури для накопичення енергії. І дослідники показують, що додаткова ємність заряду також може зберігатися на поверхні наночастинок заліза, що утворюються під час ряду звичайних електрохімічних процесів.

Згідно з дослідженням, широкий спектр перехідних металів може розблокувати цю додаткову ємність, і вони мають спільну нитку — здатність збирати електрони високої щільності. Ці матеріали ще не готові до прайм-тайму, сказав Ю, насамперед через брак знань про них. Але дослідники заявили, що ці нові висновки повинні пройти довгий шлях, щоб пролити світло на потенціал цих матеріалів.

Ключовим методом, що використовується в цьому дослідженні, називається in situ магнітометрія, є метод магнітного моніторингу в режимі реального часу для дослідження еволюції внутрішньої електронної структури матеріалу. Він здатний кількісно визначити ємність заряду, вимірюючи коливання магнетизму. Цей прийом може бути використаний для вивчення накопичення заряду у дуже малому масштабі, що виходить за рамки можливостей багатьох звичайних засобів характеристики.

"Найбільш значні результати були отримані завдяки техніці, яка зазвичай використовується фізиками, але дуже рідко в середовищі акумуляторів", — сказав Ю. "Це ідеальна демонстрація прекрасного шлюбу фізики та електрохімії".

Facebook Comments