Ученые улучшили литий-ионные батареи. Быстрая зарядка и высокая емкость
Согласно исследованию Политехнического института Rensselaer, только что опубликованному в Nature Communications, возможно создание литий-ионных батарей, которые заряжаются за считанные минуты, но также обладают большой емкостью. Это открытие может повысить производительность аккумуляторов в целом ряде технологий, таких как электромобили или портативная электроника.
Литий-ионная батарея заряжается и разряжается, когда ионы лития перемещаются между двумя электродами, называемыми анодом и катодом. В традиционной литий-ионной батарее анод выполнен из графита, а катод состоит из оксида лития-кобальта.
Эти материалы хорошо сочетаются друг с другом, поэтому литий-ионные аккумуляторы становятся все более популярными, но исследователи из Rensselaer считают, что эта функция может быть улучшена в дальнейшем.
«Улучшение материалов, используемых для электродов, является одним из способов повышения характеристик батареи», — сказал Нихил Кораткар, профессор механики, аэрокосмической и ядерной инженерии в Rensselaer, и автор статьи.
Обширные исследования Кораткара в области нанотехнологий и хранения энергии сделали его одним из самых цитируемых исследователей в мире. В этой самой последней работе Кораткар и его команда улучшили производительность, заменив оксид кобальта дисульфидом ванадия (VS 2).
В последние годы росло волнение, связанное с потенциалом VS 2, но до сих пор, по словам Кораткара, исследователи сталкивались с проблемой его нестабильности, которая приводила к сокращению срока службы батареи. Исследователи Rensselaer не только установили причину такой нестабильности, но и разработали способ борьбы с ней.
Команда, в состав которой также входили Винсент Менье, глава Департамента физики, прикладной физики и астрономии, и другие, определили, что введение лития вызвало асимметрию в промежутке между атомами ванадия, известную как искажение Пайерлса, которое было причиной распада чешуек VS 2. Они обнаружили, что покрыв чешуйки нанослоем из дисульфида титана (TiS 2) — материала, который не искажает Пайерлса, они смогли добиться стабилизации чешуек VS 2 и улучшили их характеристики в батарее.
«Покрытие TiS 2 действует как буферный слой. Он удерживает материал VS 2, обеспечивая механическую поддержку», — сказал Кораткар.
Как только эта проблема была решена, команда обнаружила, что электроды VS 2 — TiS 2 могут работать с высокой удельной емкостью или сохранять большой заряд на единицу массы. Кораткар сказал, что небольшой размер и вес ванадия и серы позволяют им обеспечивать высокую емкость и плотность энергии. Их небольшой размер также способствовал бы компактности аккумулятора.
По словам Кораткара, когда зарядка выполнялась быстрее, емкость не падала так сильно, как это часто бывает у других типов электродов. Улучшенные электроды способны иметь приличную емкость, потому что, в отличие от оксида кобальта, материал VS 2 — TiS 2 является электропроводящим.
Кораткар видит множество применений для этого открытия, например, в улучшении автомобильных аккумуляторов, батарей для портативной электроники и хранения солнечной энергии, где важна высокая емкость, но также будет привлекательна повышенная скорость зарядки.
Ссылка на публикацию в Phys.org
