Шаг к сверхбыстрой зарядке. Исследователи смогли заглянуть внутрь аккумуляторов

25 июня 2021, 15:15

В Великобритании разработали простую лабораторную технику, которая позволяет ученым и инженерам заглядывать внутрь литий-ионных аккумуляторов.

Это необходимо для того, чтобы следить за перемещением ионов лития в режиме реального времени по мере заряда и разряда аккумуляторов, что было невозможно до сих пор.

Видео дня

Исследователи определили процессы ограничения скорости, которые, если их устранить, могут позволить батареям в большинстве смартфонов и ноутбуков заряжаться всего за пять минут.

Исследователи из Кембриджского университета говорят, что их метод не только поможет улучшить существующие материалы для аккумуляторов, но и может ускорить разработку аккумуляторов следующего поколения, что сейчас является одной из самых больших технологических проблем

Хотя литий-ионные батареи имеют неоспоримые преимущества, такие как относительно высокая плотность энергии и длительный срок службы по сравнению с другими батареями и средствами хранения энергии, они также могут перегреваться или даже взорваться, и их производство относительно дорого.

Кроме того, их плотность энергии далека от плотности бензина. Пока это делает их непригодными для широкого использования в двух основных экологически чистых технологиях: электромобили и сетевые накопители для солнечной энергии.

«Лучшая батарея — это та, которая может хранить намного больше энергии, или та, которая может заряжаться намного быстрее — в идеале и то, и другое», — сказал соавтор доктор Кристоф Шнедерманн из Кэвендишской лаборатории Кембриджа. «Но чтобы сделать батареи лучше из новых материалов и улучшить батареи, которые мы уже используем, нам нужно понимать, что происходит внутри них».

Чтобы улучшить литий-ионные батареи и помочь им быстрее заряжаться, исследователи должны отслеживать и понимать процессы, происходящие в функционирующих материалах в реальных условиях в реальном времени. В настоящее время для этого требуются сложные методы синхротронной рентгеновской или электронной микроскопии, которые отнимают много времени и являются дорогостоящими.

«Чтобы действительно изучить, что происходит внутри батареи, вам нужно заставить микроскоп делать две вещи одновременно: он должен наблюдать за зарядкой и разрядкой батарей в течение нескольких часов, но в то же время он должен очень быстро фиксировать процессы, происходящие внутри батареи», — сказала первый автор исследования Элис Мерривезер, аспирант Кэвендишской лаборатории Кембриджа.

Команда Кембриджа разработала метод оптической микроскопии, микроскопию интерферометрического рассеяния, чтобы наблюдать за этими процессами в действии. Используя эту технику, они смогли наблюдать отдельные частицы оксида лития-кобальта (часто называемого LCO) заряжающимися и разряжающимися, измеряя количество рассеянного света.

Они смогли увидеть, как LCO переживает серию фазовых переходов в цикле заряда-разряда. Исследователи обнаружили, что механизм движущейся фазовой границы различается в зависимости от того, заряжается или разряжается батарея.

«Мы обнаружили, что существуют разные ограничения скорости для литий-ионных аккумуляторов, в зависимости от того, заряжается он или разряжается», — сказал доктор Акшай Рао из лаборатории Кавендиша, руководивший исследованием.

«При зарядке скорость зависит от того, насколько быстро ионы лития могут проходить через частицы активного материала. При разрядке скорость зависит от того, насколько быстро ионы вставляются по краям. Если мы сможем контролировать эти два механизма, это позволит аккумуляторам заряжаться намного быстрее», — добави Рао.

«Учитывая, что литий-ионные батареи использовались десятилетиями, можно подумать, что мы знаем о них все, но это не так», — сказал Шнедерманн. «Этот метод позволяет нам увидеть, насколько быстро он сможет пройти цикл заряда-разряда. Что мы действительно с нетерпением ждем, так это использование этого метода для изучения материалов батарей следующего поколения».

В конце 2019 года НВ сообщал, что ученые из IBM Research разработали новую батарею, уникальные ингредиенты которой можно добывать из морской воды вместо добычи редких полезных ископаемых.

Такой аккумулятор дешевле существующих литий-ионных аналогов и заряжается быстрее, уверяют в IBM.

В качестве потенциального решения экологических проблем от аккумуляторов ученые из лаборатории батарей IBM Research разработали новую конструкцию, которая заменяет потребность в кобальте и никеле в катоде, а также использует новый жидкий электролит (материал в батарее, который помогает ионам перемещаться от одного конца к другой).

Химический состав материалов, из которых выполнены анод, катод и жидкий электролит, исследователи не раскрывают. Инженеры уверяют, что необходимые материалы могут быть получены из обыкновенной морской воды и то, что они значительно дешевле используемых в современных литий-ионных батареях.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X