Литий-ионные аккумуляторы широко используются в электромобилях и смартфонах, поскольку они легкие, надежные и энергоэффективные. Однако они медленно заряжаются и не могут выдерживать высокие скачки тока. В недавних исследованиях команда Cornell Engineering разработала литиевый аккумулятор для электромобилей, который может полностью зарядиться за 5 минут. Прототип одного из таких аккумуляторов с быстрой зарядкой.
Команда инженеров Корнельского университета разработала новую литиевую батарею. Она заряжается менее чем за 5 минут , быстрее, чем любая другая доступная батарея. Кроме того, она сохраняет стабильную работу при зарядке и разрядке в течение длительного периода времени. Недавнее открытие может снять опасения водителей по поводу ограниченного запаса хода электромобилей и неудобства длительной подзарядки.
Исследователи обнаружили, что индий, мягкий металл, обычно используемый для сенсорных дисплеев и солнечных панелей, имеет исключительно высокий потенциал в качестве материала для быстрозарядных батарей. Это связано с присущими ему быстрыми скоростями твердотельного транспорта и низкими числами Дамкелера. Кроме того, индий служит прекрасной альтернативой свинцу в низкотемпературном припое.
Профессор Линден Арчер , декан инженерного факультета Корнельского университета и руководитель проекта, сказал: «Боязнь недостаточного запаса хода является более серьезным препятствием для электрификации транспорта, чем любые другие препятствия, такие как стоимость и возможности батарей, и мы определили путь к ее устранению с помощью рациональной конструкции электродов».
Профессор Арчер добавил: «Если вы можете зарядить батарею электромобиля за пять минут, то, честно говоря, вам не нужна батарея, достаточно большая для пробега в 300 миль. Можно довольствоваться меньшим, что может снизить стоимость электромобилей и способствовать их более широкому распространению».
Ведущий автор исследования, аспирант в области химической и биомолекулярной инженерии Шуо Цзинь , сказал: «Наша цель состояла в том, чтобы создать конструкции электродов для батарей, которые заряжаются и разряжаются таким образом, чтобы это соответствовало повседневной жизни. На практике нам нужно, чтобы наши электронные устройства быстро заряжались и работали в течение длительного времени. Для достижения этой цели мы определили уникальный индиевый анодный материал, который можно эффективно сочетать с различными катодными материалами для создания батареи, которая быстро заряжается и медленно разряжается ».
Процесс
Исследователи применили уникальный подход к разработке своей новой литиевой батареи, сделав акцент на кинетике электрохимических реакций. В частности, они использовали концепцию из химической инженерии, известную как число Дамкёлера . Эта концепция, по сути, количественно описывает скорость протекания химических реакций по сравнению со скоростью перемещения веществ к месту реакции.
Последние исследования показывают, что индий обладает двумя важнейшими характеристиками в качестве анода аккумулятора. Они заключаются в следующем:
- Исключительно низкий миграционный энергетический барьер, которая определяет скорость, с которой ионы диффундируют в твердом состоянии
- A умеренная плотность тока обмена, что влияет на скорость восстановления ионов в аноде.
Синергия этих свойств, быстрой диффузии и медленной кинетики поверхностных реакций необходима для быстрой зарядки и длительного хранения.
Профессор Арчер сказал: «Ключевое нововведение заключается в том, что мы открыли принцип конструкции, который позволяет ионам металла на аноде батареи свободно перемещаться, находить правильную конфигурацию и только затем участвовать в реакции накопления заряда. В результате в каждом цикле зарядки электрод находится в стабильном морфологическом состоянии. Именно это и обеспечивает нашим новым быстрозаряжаемым батареям возможность многократной зарядки и разрядки на протяжении тысяч циклов».
Литиевая батарея для электромобилей, которая может полностью зарядиться за 5 минут, использует эту технологию в сочетании с беспроводной индукционной зарядкой на дорогах. Это может значительно уменьшить размер и стоимость батарей . Это также сделает электромобиль более доступным вариантом для водителей. Тем не менее, это не означает, что индиевые аноды идеальны или практичны.
«Хотя этот результат и впечатляет, поскольку он показывает, как создавать быстрозаряжаемые батареи, индий — тяжёлый металл. В этом кроется возможность для моделирования в вычислительной химии, возможно, с использованием инструментов генеративного искусственного интеллекта, чтобы узнать, какие ещё лёгкие материалы с такой же низкой теплопроводностью могут обеспечить те же самые низкие значения числа Дамкёлера. Например, существуют ли металлические сплавы, которые мы никогда не изучали, но которые обладают желаемыми характеристиками? Именно это меня и радует: существует общий принцип, позволяющий любому разработать более совершенный анод для батареи, обеспечивающий более высокую скорость зарядки, чем самые современные технологии», — добавил профессор Арчер.
Источник : Быстрозаряжаемая литий-ионная батарея призвана устранить «боязнь недостаточного запаса хода».
