Матеріал літієвої батареї з «відкритою» структурою дозволяє заряджатися в 10 разів швидше

Дослідження батарей наступного покоління передбачають постійні експерименти з альтернативними матеріалами, які можуть розкрити значний приріст продуктивності, і новий прорив пропонує переконливий приклад того, як це може виглядати. Вчені з Університету Твенте в Нідерландах створили експериментальний літій-іонний елемент, який має нову конструкцію електрода з «відкритою та правильною» кристалічною структурою, яка, за їхніми словами, дозволяє заряджатися зі швидкістю в 10 разів швидше, ніж у сучасних пристроїв.

Літій-іонні акумулятори, які живлять сучасні електромобілі, смартфони та незліченну кількість інших пристроїв, мають два електроди, катод і анод, і це нове дослідження зосереджено на останньому. В даний час ці аноди виготовляються з графіту, який служить їм у багатьох відношеннях, але не в змозі забезпечити надшвидку зарядку, не виходячи з ладу.

Одне з місць, куди вчені шукають нові й покращені аноди, — це матеріали з пористими структурами нанорозміру. Аноди такої природи обіцяють більшу площу контакту з рідким електролітом, який транспортує іони літію, одночасно дозволяючи іонам легше дифундувати в твердий матеріал електрода, що в кінцевому підсумку створює пристрій, який заряджається набагато, набагато швидше.

Але у запропонованих наразі матеріалів є недоліки. Дезорганізований і випадковий характер каналів у пористій наноструктурі може призвести до руйнування цих структур під час заряджання, а також зниження щільності та ємності акумулятора, а також може призвести до накопичення літію на поверхні анода та погіршення його продуктивності з кожним циклом. Крім того, виробництво цих матеріалів є складним, включає агресивні хімічні речовини та утворює значні хімічні відходи.

Вчені з Університету Твенте вважають, що знайшли відповідну альтернативу в матеріалі під назвою ніобат нікелю. На відміну від нерегулярної природи попередніх рішень, ніобат нікелю має «відкриту та регулярну» кристалічну структуру з ідентичними, повторюваними каналами для транспорту іонів.

Дослідники інтегрували цей анод з ніобату нікелю в елемент живлення акумулятора та перевірили його продуктивність, виявивши, що він забезпечує надшвидку зарядку в 10 разів швидше, ніж сучасні літій-іонні акумулятори. Вони також відзначають, що ніобат нікелю більш компактний, ніж графіт, і, отже, має вищу об’ємну щільність енергії, що може прирівнюватися до комерційних версій елемента, які є легшими та компактнішими.

Вчені також повідомляють, що новий матеріал анода має високу ємність, близько 244 мАг/г, і оскільки зміна об’єму ніобату нікелю мінімальна під час роботи, 81 відсоток його ємності було збережено протягом 20 000 циклів. Все це відбувається без пошкодження матеріалу анода, а також кажуть, що процес виробництва ніобату нікелю є набагато більш простим, ніж інші наноструктурні матеріали, і для його збирання не потрібно чисте приміщення.

За словами дослідників, ці результати демонструють потенціал накопичення енергії анодів ніобату нікелю в практичних акумуляторних пристроях. Вони бачать безпосередній потенціал у мережевих додатках для живлення електричних машин, які потребують швидкої зарядки, або у важких електромобілях. Однак, щоб побачити їх адаптовані для використання в стандартних електромобілях, вони кажуть, що знадобляться додаткові дослідження та вирішення проблем.

Дослідження опубліковано в журналі Advanced Energy Materials .