Новый метод визуализации показывает, как аккумуляторы могут заряжаться за минуты

Исследователи разработали простую лабораторную технику, которая позволяет им заглядывать внутрь литий-ионных аккумуляторов и следить за перемещением ионов лития в режиме реального времени по мере заряда и разряда аккумуляторов, что было невозможно до сих пор.

Используя недорогую технику, исследователи определили процессы ограничения скорости, которые, если их устранить, могут позволить батареям в большинстве смартфонов и ноутбуков заряжаться всего за пять минут.

Как ускорить разработку аккумуляторов следующего поколения

Исследователи из Кембриджского университета говорят, что их метод не только поможет улучшить существующие материалы для аккумуляторов, но и может ускорить разработку аккумуляторов следующего поколения, что является одним из самых больших технологических препятствий, которые необходимо преодолеть при переходе к использованию ископаемого топлива. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Хотя литий-ионные батареи имеют неоспоримые преимущества, такие как относительно высокая плотность энергии и длительный срок службы по сравнению с другими батареями и средствами хранения энергии, они также могут перегреваться или даже взорваться, и их производство относительно дорого. Кроме того, их плотность энергии далеко не как у бензина. Пока это делает их непригодными для широкого использования в двух основных экологически чистых технологиях: электромобилях и сетевых накопителях для солнечной энергии.

«Лучшая батарея - это та, которая может хранить намного больше энергии, или та, которая может заряжаться намного быстрее - в идеале и то, и другое», - сказал соавтор доктор Кристоф Шнедерманн из Кэвендишской лаборатории Кембриджа. «Но чтобы сделать батареи лучше из новых материалов и улучшить батареи, которые мы уже используем, нам нужно понимать, что происходит внутри них».

Чтобы улучшить литий-ионные батареи и помочь им быстрее заряжаться, исследователи должны отслеживать и понимать процессы, происходящие в функционирующих материалах в реальных условиях в реальном времени. В настоящее время для этого требуются сложные методы синхротронной рентгеновской или электронной микроскопии, которые отнимают много времени и являются дорогостоящими.

«Чтобы действительно изучить, что происходит внутри батареи, вам нужно заставить микроскоп делать две вещи одновременно: он должен наблюдать за зарядкой и разрядкой батареи в течение нескольких часов, но в то же время он должен очень быстро фиксировать процессы, происходящие внутри батареи », - сказала первый автор Элис Мерривезер, аспирант Кэвендишской лаборатории Кембриджа.

Команда Кембриджа разработала метод оптической микроскопии, называемый микроскопией интерферометрического рассеяния, чтобы наблюдать за этими процессами в действии. Используя этот метод, они смогли наблюдать отдельные частицы оксида лития-кобальта (часто называемого LCO) заряжающимися и разряжающимися, измеряя количество рассеянного света.

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

Они смогли увидеть, как LCO претерпевает серию фазовых переходов в цикле заряда-разряда. Фазовые границы внутри частиц LCO перемещаются и изменяются по мере того, как ионы лития входят и выходят. Исследователи обнаружили, что механизм движущейся границы различается в зависимости от того, заряжается или разряжается батарея.

«Мы обнаружили, что существуют разные ограничения скорости для литий-ионных аккумуляторов, в зависимости от того, заряжается он или разряжается», - сказал доктор Акшай Рао из лаборатории Кавендиша, руководивший исследованием. «При зарядке скорость зависит от того, насколько быстро ионы лития могут проходить через частицы активного материала. При разряде скорость зависит от того, насколько быстро ионы вставляются по краям. Если мы сможем управлять этими двумя механизмами, это позволит литий-ионным батареям заряжаться намного быстрее».

«Учитывая, что литий-ионные батареи использовались десятилетиями, можно подумать, что мы знаем о них все, но это не так», - сказал Шнедерманн. «Этот метод позволяет нам увидеть, насколько быстро может пройти цикл заряда-разряда. Что мы действительно с нетерпением ждем, так это использовать эту технику для изучения материалов батарей нового поколения - мы можем использовать то, что мы узнали о LCO, для разработки новых материалов».

«Эта методика представляет собой довольно общий способ рассмотрения динамики ионов в твердотельных материалах, поэтому вы можете использовать ее практически для любого типа материала батарей», - сказала профессор Клэр Грей из Кембриджского химического факультета Юсуфа Хамиеда, который был одним из руководителей исследования.

Высокая пропускная способность методологии позволяет отбирать пробы многих частиц по всему электроду и, в дальнейшем, позволит изучить, что происходит, когда батареи выходят из строя, и как это предотвратить.

«Этот лабораторный метод, который мы разработали, предлагает огромное изменение скорости технологии, чтобы мы могли идти в ногу с быстро меняющейся внутренней работой батареи», - сказал Шнедерманн. «Тот факт, что мы действительно можем видеть изменение этих фазовых границ в реальном времени, был действительно удивительным. Этот метод может стать важной частью головоломки при разработке батарей следующего поколения ». опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на Эконет в Pinterest!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet