Прорив у швидкій зарядці акумуляторів

Новий матеріал для акумуляторів із Китаю заряджається за секунди і може змінити енергетичні пристрої

Дослідники в Китаї покращили час заряджання акумуляторів без шкоди для їхньої ємності та терміну служби. Використовуючи новий матеріал, вони підвищили рухливість іонів, що дозволило значно прискорити процес заряджання.

Команда розробила кристалічний матеріал, який називається ніобій-вольфрамовим оксидом (NbWO), який прискорює процес зарядки.

Очікується, що цей новий матеріал буде корисним для багатьох програм, де потрібно заряджання літій-іонних акумуляторів протягом однієї хвилини.

Дослідники з'ясували, що здатність матеріалу до швидкої зарядки обумовлена ​​залежним від швидкості процесу розслаблення кристалічних ґрат, пов'язаних з ефектом Яна-Теллера.

Як кристалічна структура NbWO реагує на швидкість заряджання

Методи електронної мікроскопії in situ виявили спрямований механізм транспортування Li+ у кристалах Nb₁₆W₅O₅₅, який є «вузьким місцем» для швидкої зарядки, обмежуючи проникнення розпушених Li+ через певні поверхні матеріалу.

Вчені виявили, що кристалічна структура NbWO по-різному реагує різні швидкості зарядки. При повільній зарядці літієві іони вишиковуються в упорядковані структури, викликаючи спотворення кристалічних ґрат. При високій швидкості зарядки іони розподіляються хаотичніше, що зменшує ці спотворення.

Механізм зберігання літію в матеріалах, що швидко заряджаються.

"Ми об'єднали передові методи електронної мікроскопії in situ з новітніми технологіями атомного дозволу, що дозволило заглянути глибоко в структуру матеріалів на найменшому рівні, який раніше залишався невивченим", - пояснили провідні автори дослідження Яцін Го та Іфе Юань з Університету Веньчжоу в інтерв'ю.

Результати дослідження допоможуть краще зрозуміти механізми зберігання літію в матеріалах, що швидко заряджаються, і сприяють розробці більш ефективних акумуляторів.

Досягнення та виклики перед комерціалізацією

Робота, опублікована в журналі Nature Communications, пропонує стратегію інженерії інтерфейсів, що дозволяє спрямовувати розпушені літієві іони до отворів в орієнтованих каналах, де інтеркаляції Li+ відбувається з меншими енергетичними витратами. Це допоможе подолати існуючі обмеження NbWO для швидкого заряджання.

Звіти показали, що модифікований матеріал, позначений як rGO/Nb₁₆W₅O₅₅, заряджається при 80°C, досягаючи 116 мА·год/г за 45 секунд - 68,5% від його теоретичної ємності.

В ході прототипних випробувань акумулятори, виготовлені з використанням цього матеріалу, зберігали 77% своєї початкової ємності після 500 циклів швидкої зарядки. Матеріал продемонстрував високу щільність енергії – до 406 Вт·ч/кг при низькій потужності та 186 Вт·ч/кг при високих навантаженнях. Проте до комерціалізації технології залишаються значні технічні перешкоди.

Висновок

«У даному дослідженні ми демонструємо, що здатність NbWO до швидкої зарядки обумовлена ​​залежним від швидкості процесу розслаблення кристалічних ґрат. Структура NbWO виявляє високу чутливість до швидкості зарядки: при високих значеннях іони займають більш випадкові позиції, що знижує значні спотворення ґрат та покращує інтеркаляцію Li+», — заявили дослідники.