Коллектив исследователей из Массачусетского технологического института (MIT
Massachusetts Institute of Technology) под руководством профессора Гербранда
Седера (Gerbrand Ceder) сумела преодолеть один из ключевых недостатков литиевых
аккумуляторов – малую скорость зарядки и разряда. Внеся небольшие изменения в
традиционный процесс изготовления батарей на базе кристаллов LiFePO4,
они смогли создать батарею, которая полностью заряжается за 20 секунд – такая
же батарея из обычного, немодифицированного материала требует 6 минут для
полной перезарядки.
Теоретические расчеты показали, что для повышения скорости перезаряжания
ионам лития и электронам в батарее не хватает мобильности. В процессе
исследований оказалось, что ионы лития не могут быстро проникать внутрь
кристалла и покидать его, если не находятся непосредственно перед входом в
туннель, соединяющий кристалл с окружающим электролитом. Чтобы увеличить
мобильность ионов лития, ученые решили изменить покрытие кристаллов LiFePO4, чтобы оно само подводило ионы лития к тоннелям. В результате удалось резко
увеличить скорость движения ионов, а вместе с ней и скорость перезарядки
батарей.
Авторы разработали технологический процесс, который создает неупорядоченное
покрытие из фосфата лития на поверхности кристаллов LiFePO4
(литий-фосфат-железо). Подобрав соотношение железа и фосфора в исходной смеси,
исследователи нагревали материал до 600°C в атмосфере аргона в течение 10 часов. В результате на поверхности гранул средним диаметром около 50 нм образовалось
стекловидное покрытие толщиной менее 5 нм. Это покрытие, сплошь унизанное
небольшими туннелями, обеспечивает крайне высокую мобильность ионов лития
через туннели эти ионы могут легко входить внутрь гранулы и покидать ее в
процессе заряда и разряда батареи.
Результаты, которые показал модифицированный LiFePO4, оказались
просто поразительными – при низком токе разряда батарея из этого материала
может разрядиться до теоретического предела – энергетическая эффективность
составляет около 166 мАч/г (миллиамперчасов на грамм). Кроме того, прототип
батареи показал полное отсутствие деградации – после 50 циклов заряда/разряда
емкость батареи осталась без изменений.
Как бы то ни было, главные преимущества модифицированного
литий-фосфат-железа проявляются при заряде большим током. Изменив конструкцию
катода, авторы увеличили заряд с 2 кулон до 200 - удельная емкость батареи при
этом упала до 110 мАч/г, однако скорость зарядки выросла на два порядка (в сто
раз) по сравнению с традиционными литиевыми аккумуляторами. Увеличив заряд до
400 кулон, исследователи обнаружили снижение емкости вдвое, однако скорость
заряда разряда выросла тоже в два раза. Вся батарея при такой нагрузке смогла
разрядиться всего за 9 секунд – ранее подобные показатели были возможны только при
использовании суперконденсаторов.
Поскольку производство новых батарей требует сравнительно небольших
изменений в уже известном, массово применяемом технологическом процессе, авторы
разработки ожидают начала серийного выпуска таких аккумуляторов в течение
ближайшего года или двух. Дополнительно о результатах исследований профессора
Седера с соавторами можно прочитать в их статье в журнале Nature.
По материалам arstechnica.com.
|
