Литий-ионные аккумуляторы уже стали основным перезаряжаемым источником питания для различных мобильных устройств, а также для автомобилей на электрической тяге. Однако их использование ограничено, поскольку ограничена их выходная мощность. Недавно исследование на этот счет было опубликовано в журнале Applied Physics Reviews.
Изображение из сети Интернет
Оптимальный вариант литий─ионного аккумулятора предполагает наличие «толстых» электродных структур. В этом случае увеличивается энергетическая плотность, но в системе ухудшается транспорт литиевых ионов. Чтобы нейтрализовать этот отрицательный эффект ученые пробовали различные способы улучшения системы. Например, создавали поры необходимого размера или вертикально ориентированные каналы для транспортировки ионов лития.
В опубликованном исследовании AIP Publishing использовался другой подход. Там применялись наполнители из углеродного материала, проводящие электрический ток. В частности, исследователи применяли три типа наполнителей.
- Однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT).
- Графеновые нанолисты.
- Вещество «Super P» образующееся при окислении нефтепродуктов. Это один из наиболее часто применяемых проводящих наполнителей в литий─ионных аккумуляторах.
Вышеназванные наполнители добавлялись к такому электродному материалу, как NCM (никель, кобальт и марганец). Для исследования полученных композитов использовалась электронная сканирующая микроскопия. Специалистам удалось установить, что частицы располагаются в контакте point-to-point.
Частицы SWCNT окружали NCM, образуя вокруг них проводящее покрытие. В промежутках между частицами и никеля, кобальта и марганца были обнаружены сети связанных между собой частиц SWCNT. Нанолисты графена вели себя подобным образом, но окружали NCM не так равномерно. Лучшим проводящим наполнителем по итогам исследования оказались частицы SWCNT.
Как отметил один из авторов исследования Guihua Yu, при добавлении проводящего наполнителя к непроводящей матрице после образования первого проводящего пути через композит происходит существенное увеличение проводимости. Их измерения проводимости показали, что данные согласуются с теорией перколяции.
Для перколяции требуется полное прохождение через наполнитель, а значит, достаточный объем проводящего наполнителя. Исследование проводилось с различными количествами наполнителя. И SWCNT показал хорошую проводимость всего при добавлении 0,16% (вес). Чтобы получить аналогичные показатели проводимости в случае с Super P и графена, потребовалось большее количество этих материалов.
В этом исследовании для изучения полученных композитов специалисты применяли несколько спектроскопических методов, среди которых стереоскопия комбинационного рассеяния света, рентгеновская абсорбционная спектроскопия и др.
Работа проводились исследовательскими центрами Center for Mesoscale Transport Properties и Energy Frontier Research Center в рамках программы фундаментальных энергетических наук, поддерживаемой Министерством энергетики США. В заключении исследователи отметили, что интеграция SWCNT в электрод NCM облегчает перенос ионов лития и заряда. Это даёт более высокую мощность электрохимической системы. Особенно при высоких скоростях разряда.