Дослідження акумуляторів наступного покоління включають постійні експерименти з альтернативними матеріалами, які можуть дати значний приріст продуктивності. Вчені з Університету Твенте в Нідерландах створили експериментальний літій-іонний елемент з електродом нової конструкції з «відкритою та правильною» кристалічною структурою, яка дозволяє заряджатися зі швидкістю в 10 разів швидше, ніж у сучасних пристроїв.
Літій-іонні батареї, якими живляться сучасні електромобілі, смартфони та безліч інших пристроїв, мають два електроди: катод і анод. В новому дослідженні основна увага приділяється анодам, які сьогодні виготовляються з графіту з гарними експлуатаційними характеристиками, але не може витримувати надшвидку зарядку без виходу з ладу.
Вчені застосували нові та покращені матеріали з нанорозмірними пористими структурами. Аноди такої природи обіцяють велику площу контакту з рідким електролітом, який переносить іони літію, водночас дозволяючи іонам легше дифундувати в матеріал твердого електрода, і зрештою отримують пристрій, який заряджається набагато швидше.
Але поки що запропоновані матеріали мають недоліки. Неорганізований і випадковий характер каналів у пористій наноструктурі може призвести до руйнування цих структур під час заряджання, а також зниження щільності та ємності батареї, а також до накопичення літію на поверхні анода й погіршення його характеристик з кожним циклом. Крім того, виробництво цих матеріалів є складним. Воно включає використання агресивних хімікатів та призводить до значних хімічних відходів.
Вчені з Університету Твенте вважають, що вони знайшли відповідну альтернативу у матеріалі під назвою ніобат нікелю, який має «відкриту і правильну» 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 анодний матеріал має високу ємність близько 244 мАг/г, і оскільки зміна об'єму всередині ніобату нікелю мінімальна під час роботи, 81% його ємності зберігався протягом 20 000 циклів. Все це відбувається без пошкодження матеріалу анода, в той час як процес виробництва ніобату нікелю також вважається набагато простішим за інші наноструктуровані матеріали і не вимагає чистої кімнати для складання.
За словами дослідників, ці результати демонструють потенціал накопичення енергії анодами з ніобату нікелю у практичних акумуляторних пристроях. Вони бачать безпосередній потенціал у мережевих додатках для живлення електрообладнання, що потребує швидкої зарядки, або важких електромобілях. Однак, щоб побачити їх адаптованими для використання у стандартних електромобілях, будуть потрібні подальші дослідження та вирішення проблем.
Джерело newatlas.com
