Прорыв в быстрой зарядке аккумуляторов

Новый материал для аккумуляторов из Китая заряжается за секунды и может изменить энергетические устройства

Исследователи в Китае улучшили время зарядки аккумуляторов без ущерба для их ёмкости и срока службы. Используя новый материал, они повысили подвижность ионов, что позволило значительно ускорить процесс зарядки.

Команда разработала кристаллический материал, называемый ниобий-вольфрамовым оксидом (NbWO), который ускоряет процесс зарядки.

Ожидается, что этот новый материал будет полезен для множества приложений, где требуется зарядка литий-ионных аккумуляторов в течение одной минуты.

Исследователи выяснили, что способность материала к быстрой зарядке обусловлена зависимым от скорости процесса расслабления кристаллической решётки, связанным с эффектом Яна-Теллера.

Как кристаллическая структура NbWO реагирует на скорость зарядки

Методы электронной микроскопии in situ выявили направленный механизм транспорта Li+ в кристаллах Nb₁₆W₅O₅₅, который является «узким местом» для быстрой зарядки, ограничивая проникновение разрыхлённых Li+ через определённые поверхности материала.

Учёные обнаружили, что кристаллическая структура NbWO по-разному реагирует на разные скорости зарядки. При медленной зарядке литиевые ионы выстраиваются в упорядоченные структуры, вызывая искажения кристаллической решётки. При высокой скорости зарядки ионы распределяются более хаотично, что уменьшает эти искажения.

Механизм хранения лития в быстрозаряжаемых материалах

«Мы объединили передовые методы электронной микроскопии in situ с новейшими технологиями атомного разрешения, что позволило заглянуть глубоко в структуру материалов на мельчайшем уровне, который ранее оставался неизученным», — объяснили ведущие авторы исследования Яцин Го и Ифэй Юань из Университета Вэньчжоу в интервью Nanowerk.

Результаты исследования помогут лучше понять механизмы хранения лития в быстрозаряжаемых материалах и поспособствуют разработке более эффективных аккумуляторов.

Достижения и вызовы перед коммерциализацией

Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, предлагает стратегию инженерии интерфейсов, позволяющую направлять разрыхлённые литиевые ионы к отверстиям в ориентированных каналах, где процесс интеркаляции Li+ происходит с меньшими энергетическими затратами. Это поможет преодолеть существующие ограничения NbWO для быстрой зарядки.

Отчёты показали, что модифицированный материал, обозначенный как rGO/Nb₁₆W₅O₅₅, заряжается при 80C, достигая 116 мА·ч/г за 45 секунд — 68,5% от его теоретической ёмкости.

В ходе прототипных испытаний аккумуляторы, изготовленные с использованием этого материала, сохраняли 77% от своей первоначальной ёмкости после 500 циклов быстрой зарядки. Материал продемонстрировал высокую плотность энергии — до 406 Вт·ч/кг при низкой мощности и 186 Вт·ч/кг при высоких нагрузках. Однако до коммерциализации технологии ещё остаются значительные технические препятствия.

Заключение

«В данном исследовании мы демонстрируем, что способность NbWO к быстрой зарядке обусловлена зависимым от скорости процесса расслабления кристаллической решётки. Структура NbWO проявляет высокую чувствительность к скорости зарядки: при высоких значениях ионы занимают более случайные позиции, что снижает значительные искажения решётки и улучшает интеркаляцию Li+», — заявили исследователи.