Согласно исследованию политехнического института Rensselaer, в ближайшем будущем будет возможно создание литий-ионной батареи, которая может заряжаться в считанные минуты, но при этом работать с большой емкостью. Это развитие имеет потенциал для улучшения характеристик батареи для бытовой электроники, солнечных батарей и электромобилей. Смартфон можно будет заряжать раз в неделю и всего за несколько минут.
Литий-ионная батарея заряжается и разряжается, когда ионы лития перемещаются между двумя электродами, называемыми анодом и катодом. В традиционной литий-ионной батарее анод выполнен из графита, а катод состоит из оксида лития-кобальта. Эти материалы хорошо сочетаются друг с другом, поэтому литий-ионные аккумуляторы становятся все более популярными, но исследователи из Rensselaer считают, что эта функция может быть улучшена в дальнейшем.
«Способ сделать батареи лучше, это улучшить материалы, используемые для электродов», - сказал Нихил Кораткар, профессор механики, аэрокосмической и ядерной инженерии в Rensselaer, и соответствующий автор статьи. «То, что мы пытаемся сделать, - это сделать литий-ионную технологию еще лучше».
Обширные исследования Кораткара в области нанотехнологий и хранения энергии сделали его одним из самых цитируемых исследователей в мире. В этой самой последней работе Кораткар и его команда улучшили производительность, заменив оксид кобальта дисульфидом ванадия (VS2).
В последние годы волнение вокруг потенциала VS2 росло, но до сих пор, по словам Кораткара, исследователи сталкивались с проблемой его нестабильности - характеристики, которая приводила к сокращению срока службы батареи. Исследователи Rensselaer не только установили причину такой нестабильности, но и разработали способ борьбы с ней.
Команда, в состав которой также входили Винсент Менье, глава Департамента физики, прикладной физики и астрономии, и другие, определили, что введение лития вызвало асимметрию в промежутке между атомами ванадия, известную как искажение Пайерлса, которое было причиной распада из хлопьев VS2. Они обнаружили, что покрытие хлопьев нанослоистым покрытием из дисульфида титана (TiS2) - материала, который не искажает Пайерлса, - стабилизирует чешуйки VS2 и улучшит их характеристики в батарее.
Команда обнаружила, что электроды VS2-TiS2 могут работать с высокой удельной емкостью или сохранять большой заряд на единицу массы. Кораткар сказал, что небольшой размер и вес ванадия и серы позволяют им обеспечивать высокую емкость и плотность энергии. Их небольшой размер также способствовал бы компактности аккумулятора.
По словам Кораткара, когда зарядка выполнялась быстрее, емкость не падала так сильно, как это часто бывает с другими электродами. Электроды были в состоянии поддерживать разумную емкость, потому что, в отличие от оксида кобальта, материал VS2-TiS2 является электропроводящим.
Кораткар видит множество применений для этого открытия в улучшении автомобильных аккумуляторов, питания для портативной электроники и хранения солнечной энергии, где важна высокая емкость, но также будет привлекательной повышенная скорость зарядки.