Ученые из университета штата Иллинойс (США) опубликовали важную работу о своих исследованиях в области ускоренной зарядки аккумуляторов.
Примечательно, что авторы выбрали совершенно новый подход к решению этой проблемы, который резко отличается от множества уже известных исследований. Еще одно преимущество новой технологии заключается в том, что с ее помощью можно ускорить зарядку не только литиевых, но и никель-кадмиевых батарей.
Практически все более ранние работы по ускорению зарядки батарей ориентировались на литиевые элементы и решали лишь одну проблему
скорость движения ионов лития в материале батареи. Обеспечив расширенный доступ к электродам за счет покрытия с аноструктурированием, авторы обеспечили большему числу электронов возможность переносить заряд, что и позволяет ускорить зарядку. Ключом к изменению характеристик накопления энергии ранее служили изменения в структуре главного материала батареи - LiFePO4.
Ученые из университета шт. Иллинойс на этот раз выбрали другой путь для ускорения зарядки. Вместо ускорения ионов лития они решили сократить дистанцию, которую проходят ионы лития перед попаданием на электрод. Как
удалось показать ученым, время диффузии лития увеличивается пропорционально квадрату проходимого расстояния, так что сокращение дистанции принесло отличные результаты. Для сокращения пути ионов ученые изменили структуру катода.
Процесс, с помощью которого авторы оптимизировали структуру
катода, относительно прост – его легко внедрить в массовое производство. Начинается этот процесс со сбора сферических полистироловых гранул. Подбирая размер этих гранул (в экспериментах использовались гранулы диаметром 1,8 микрометра и 466 нанометра), ученые смогли изменить промежутки между выступами на электроде. После размещения гранул на поверхности электрода над ними создается слой опала (одна
из форм кремния), который фиксирует расположение гранулы. На следующем этапе на слой опала с помощью гальванического осаждения наносится слой никеля, а сам опал удаляется травлением. Пористость никелевого слоя в конце повышается с помощью электрохимической полировки.
По завершении процесса пористость никелевого покрытия на электроде, как доля пустых промежутков в структуре, достигает 94% - это близко
к теоретическому пределу в 96%. Получается, что подавляющую часть площади в новом никелевом электроде составляет пустой пространство. Именно в эти поры проникает основной материал аккумулятора, будь то никель-металл-гидрид (NiMH) или обработанный литием диоксид марганца. Такая конструкция дает три главных преимущества, как утверждают авторы: сеть пор в электролите обеспечивает быстрое движение ионов, короткие расстояния диффузии при достижении электродов ионами, а также высокая проводимость электрода. В результате всех этих конструктивных особенностей литиевый аккумулятор приближается по скорости заряда/разряда к суперконденсаторам.
В батареях с никель-металл-гидридным электролитом новые электроды обеспечивают зарядку до 75% емкости всего за 2,7 секунды; заряд до
90% емкости занимает всего 20 секунд, причем эти показатели сохраняются после 100 циклов зарядки/разрядки. Литиевые батареи работают не так хорошо, но результаты все равно впечатляют. При частых и больших разрядах батарея сохраняет 75% обычной емкости, а после 1000 циклов разряда батарея сохраняет треть начальной емкости. Заряд такой батареи до 75% емкости занимает около минуты, а за две минуты батарея заряжается до 90% емкости.
Подробнее о работе американских ученых, которая потенциально может привести к появлению сравнительно недорогих электромобилей с моментальной зарядкой, можно прочитать в обзорах на сайтах Ars
Technica и GizMag,
а также в оригинальной статье.
|
