Инженеры университета Корнелла представили инновационный литиевый аккумулятор, способный заряжаться менее чем за пять минут - это превосходит все существующие аналоги на рынке. При этом аккумулятор обеспечивает стабильную производительность в течение долгих циклов зарядки и разрядки.
Этот прорыв может устранить проблему "страха перед ограниченным пробегом" у водителей, переживающих, что электрические автомобили не способны проезжать дальние расстояния без длительной перезарядки.
Линден Арчер, профессор инженерии и декан Инженерного колледжа Корнелла, который руководил проектом, отмечает: "Страх перед ограниченным пробегом является более крупным барьером для внедрения электрификации в транспорте, чем другие факторы, такие как стоимость и характеристики аккумуляторов. Мы выявили путь к его преодолению, используя логичные дизайны электродов. Если можно заряжать аккумулятор электрического автомобиля за пять минут, то не нужно иметь батарею на 300 миль. Можно обойтись меньшим, что снизит стоимость электромобилей и способствует их более широкому распространению".
Опубликованная в журнале Joule статья команды под названием "Быстрая зарядка, длительное хранение в литиевых аккумуляторах" представляет Шуо Цзина, аспиранта по химической и биомолекулярной инженерии, в качестве ведущего автора.
Литиевые ионные аккумуляторы являются популярным источником питания для электрических транспортных средств и смартфонов. Они обладают легкостью, надежностью и относительной энергоэффективностью. Однако для их зарядки требуется несколько часов, и они не могут обрабатывать большие всплески тока.
Исследователи выявили индий как выдающийся материал для быстрозарядных аккумуляторов. Индий - мягкий металл, в основном используемый для создания покрытий из индиевого олова для сенсорных дисплеев и солнечных панелей.
Новые исследования показывают, что у индия есть две важные характеристики в качестве анода аккумулятора: крайне низкий барьер энергии миграции, определяющий скорость диффузии ионов в твердом состоянии; и умеренная плотность тока обмена, связанная со скоростью восстановления ионов в аноде. Эта комбинация - быстрая диффузия и медленная кинетика поверхностных реакций - существенна для быстрой зарядки и длительного хранения энергии.
"Ключевое новшество заключается в том, что мы обнаружили принцип проектирования, который позволяет металлическим ионам в аккумуляторе анода свободно перемещаться, находить правильную конфигурацию и только затем участвовать в реакции накопления заряда", - отмечает Арчер. "В результате электрод находится в стабильном морфологическом состоянии в каждом цикле зарядки. Именно это обеспечивает нашим новым быстрозарядным аккумуляторам возможность многократно заряжаться и разряжаться за тысячи циклов".
Такая технология, совмещенная с беспроводной индукционной зарядкой на дорогах, сократила бы размеры - и стоимость - аккумуляторов, делая электрический транспорт более доступным вариантом для водителей.
Тем не менее, это не означает, что индиевые аноды идеальны или даже практичны.
"Хотя эти результаты захватывающие, поскольку они учат нас, как создавать быстрозарядные аккумуляторы, индий тяжелый", - отмечает Арчер. "Здесь есть возможность применения вычислительного моделирования химии, возможно, с использованием инструментов искусственного интеллекта, чтобы узнать, какие другие химические составы легких материалов могут достичь тех же внутренне низких чисел Дамкёлера. Например, существуют ли сплавы металлов, которые мы никогда не изучали, и которые обладают желаемыми характеристиками? В этом заключается мое удовлетворение, что здесь действует общий принцип, который позволяет каждому создавать более эффективные аккумуляторные аноды с более высокими скоростями зарядки, чем современные технологии".
Исследование было поддержано программой по основным энергетическим наукам Департамента энергетики США через Центр мезомасштабного транспорта, Центр исследований энергетики. Исследователи использовали Центр по исследованию материалов Корнелла, который поддерживается программой Центра по науке о материалах и инженерии Национального научного фонда.