Ученые нашли способ ускорить зарядку литий-ионных аккумуляторов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В современном мире, где мобильность и портативность электроники играют ключевую роль, поиск совершенных источников энергии является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед научным сообществом. Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни, обеспечивающая работу смартфонов, ноутбуков, электромобилей и многих других устройств. Однако, несмотря на широкое распространение, современные ЛИА все еще далеки от идеала. Длительное время зарядки и ограниченная емкость — два основных недостатка, которые ограничивают их применение и вызывают закономерное недовольство пользователей. В поисках решения этих проблем ученые активно исследуют новые материалы и подходы к совершенствованию технологии ЛИА.

Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является разработка твердотельных электрокатализаторов, способных значительно ускорить процесс зарядки ЛИА. Недавно команда исследователей из Научно-технического университета Китая (USTC) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделала важный прорыв в этом направлении. Результаты их исследования, опубликованные в авторитетном научном журнале Journal of the American Chemical Society, демонстрируют эффективность новой стратегии, основанной на применении твердотельного электрокатализа для ускорения процесса литиирования в анодных материалах ЛИА.

Аккумулятор, иллюстрация
Аккумулятор, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Традиционные ограничения и новый подход

Традиционные ЛИА используют графитовые аноды, которые, несмотря на свою доступность и относительную дешевизну, обладают довольно низкой удельной емкостью. Для увеличения этого показателя ученые обратились к другим материалам, таким как кремний и фосфор, которые способны накапливать ионы лития посредством реакций легирования. Легирование — это процесс внедрения атомов одного элемента (в данном случае лития) в кристаллическую решетку другого элемента (кремния или фосфора). В результате образуется сплав, который способен обратимо поглощать и высвобождать большое количество ионов лития.

Однако у анодов на основе кремния и фосфора есть существенный недостаток — медленная кинетика литиирования. Это означает, что процесс внедрения ионов лития в кристаллическую решетку протекает довольно медленно, что негативно сказывается на скорости зарядки аккумулятора. Кроме того, во время реакции легирования все участвующие вещества находятся в твердом состоянии. Это создает серьезное препятствие для применения традиционных методов электрокатализа, которые эффективно работают только на границе раздела двух фаз — жидкость-твердое тело или газ-твердое тело.

Для решения этой проблемы команда исследователей предложила принципиально новый подход, основанный на применении гетероатомного легирования. Суть метода заключается в том, что в структуру кремниевого или фосфорного анода вводятся атомы других элементов — бора для кремния и серы для фосфора. Эти атомы, называемые гетероатомами, изменяют электронную структуру анодного материала и создают в нем активные центры, способствующие ускоренному протеканию реакции легирования.

Механизм действия и экспериментальное подтверждение

Теоретические расчеты и экспериментальные данные, полученные с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS), подтвердили, что при определенной концентрации гетероатомов (1-5%) в материале анода возникают высокоактивные центры, которые играют роль катализаторов в реакции легирования. Эти центры способствуют разрыву химических связей в анодном материале, что приводит к его фрагментации на более мелкие структурные единицы. В результате значительно увеличивается площадь поверхности материала, доступная для взаимодействия с ионами лития.


Аккумулятор, иллюстрация
Аккумулятор, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Практические результаты и перспективы

Для практической проверки эффективности новой стратегии ученые создали прототип ЛИА с анодом из легированного серой черного фосфора (S/bP) и катодом из оксида лития-кобальта (LCO). Результаты испытаний превзошли все ожидания. Аккумулятор смог восстановить 80% своей емкости всего за 9 минут! При этом его энергетическая плотность составила 302 Втч/кг, что значительно превышает показатели существующих ЛИА. Важно отметить, что сверхбыстрая зарядка сохранялась стабильной на протяжении более 300 циклов зарядки-разрядки.

Открытие твердотельного электрокатализа в ЛИА является важным прорывом в области энергетических технологий. Этот новый подход позволяет создавать аккумуляторы с высокой емкостью и сверхбыстрой зарядкой, что открывает широкие перспективы для их применения в различных областях, от портативной электроники до электромобилей.

Дальнейшие исследования в этом направлении будут направлены на оптимизацию состава и структуры анодных материалов, а также на разработку технологий масштабного производства твердотельных электрокатализаторов. Можно с уверенностью сказать, что в ближайшем будущем нас ждут новые революционные изменения в мире аккумуляторных технологий, которые изменят нашу жизнь к лучшему.

1 комментарий

102655606630750839533@google
Ожидаю, когда производители начнут ставить суперконденсатор емкость 15% акб, чтобы при зарядке до 85% мгновенно заряжать его, писать 100% и плавно заряжать акб низким током в фоне. И тогда до 80% за 15 минут и еще 45 до 100 превратятся в до 100% за 16 минут.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Куда пропал вкус детства: почему любимые конфеты стали другими и кто в этом виноват на самом деле

Многие взрослые люди замечают одну и ту же странность: если купить шоколадный батончик, вафлю или конфету, которые очень нравились двадцать или тридцать лет назад, их вкус приносит...

Как выжить при зомби-апокалипсисе: почему он невозможен по законам природы, но спасатели все равно учат к нему готовиться

С точки зрения нейробиологии сценарий зомби-апокалипсиса невозможен. В природе действительно существуют грибы-паразиты, способные проникать в тело муравьев и других насекомых, чтобы управлять их...

Лапы напечатали на 3D-принтере: история хаски по кличке Дерби, которой технологии вернули радость движения

3D-печать сегодня широко применяется не только в промышленности, строительстве и медицине, но и в создании индивидуальных протезов. Эта технология позволяет изготавливать конструкции с учётом...

Помещается в ладони, шикарно звучит и долго играет. Обзор Anker Soundcore Boom Go 3i

10 часов работы на максимальной громкости, удивительно хороший и громкий звук, ёмкий аккумулятор с быстрой зарядкой, декоративная подсветка и защищённый от падений и влаги корпус. А также...

Почему пластиковые бутылки из-под молока почти не перерабатывают

Пластиковые бутылки из-под молока стали привычной частью повседневной жизни. Однако при сдаче вторсырья или на сортировочных станциях такие ёмкости нередко вызывают сложности и далеко не всегда...

Куда исчезла советская «Электроника»: почему знаменитая марка пропала из магазинов

В восьмидесятые годы надпись «Электроника» встречалась на самых разных приборах. Наручные часы, калькуляторы, кассетные магнитофоны, телевизоры и даже видеомагнитофоны стоимостью 1200 рублей. Одни...