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

Главная проблема зеленой энергетики — это... пузырьки газа: как ученые перехитрили физику электролиза

Производство экологически чистого водорода с помощью электролиза воды — один из базовых процессов современной энергетики. Устройство электролизера принципиально простое: в емкость с...

«ВАЗ-2115: как появилась „пятнашка“ и чем она живёт спустя четверть века»

ВАЗ-2115 появилась в продаже в 1997 году и выпускалась до конца 2012-го. За это время менялись двигатели, оснащение и требования покупателей, но сама машина оставалась узнаваемой. Узкие фары,...

В бирманском янтаре нашли самое длинное перо динозавра. Оно объяснило, почему ящеры с крыльями не могли летать

Способность современных птиц летать напрямую зависит от того, как устроены их перья на микроскопическом уровне. Во время взмаха крыло испытывает сильное сопротивление воздуха, поэтому каждое...

Как один бензовоз перевозит АИ-92, АИ-95 и дизель, не смешивая топливо

Представьте обычную ситуацию на заправке. Подъезжает бензовоз, водитель готовит оборудование для разгрузки, а затем из одной машины пополняют запасы сразу нескольких видов топлива. В одном...

В озёра выпустили креветок, чтобы помочь лососю — в результате лосось исчез, а вместе с ним ушли сотни белоголовых орланов

В начале 1980-х осенью к ручью Макдональд-Крик в национальном парке Глейшер слетались сотни белоголовых орланов. Их привлекала рыба: кокани, пресноводная форма нерки, поднималась сюда на нерест из...

Ugreen Studio Max5s: обзор доступных полноразмерных беспроводных наушников с LDAC и автономностью 112 часов

Ugreen Studio Max5s это обновление популярных наушников Ugreen Max5с, которые уже пару лет являются настоящим бестселлером. В новой версии Max5s поработали над звуком, сделав его более...