Супер аккумулятор - новый электродный материал, предназначенный для сверхбыстрой зарядки
За последние десятилетия аккумулятор изменил нашу цифровую жизнь. Теперь они собираются произвести революцию в автомобилях.
Транспортные средства на новой энергии, работающие от литий-ионных аккумуляторов, сегодня могут преодолевать расстояние более 500 километров по сравнению с менее чем 100 километрами 10 лет назад. Но замена двигателя внутреннего сгорания не может произойти в одночасье. Одна дозаправка занимает от трех до пяти минут, но для полной зарядки автомобильного аккумулятора может потребоваться не менее получаса.
Все ждут прибытия новой супер батареи, которая сможет заряжаться так же быстро, как вы можете наполнить бак, и теперь мы ближе к этой цели, чем когда-либо.
В лаборатории профессора Цзи Хэнсина из Университета науки и технологий Китая (USTC) есть супер-батарея с новым электродным материалом, разработанным для сверхбыстрой зарядки.
«Должна быть возможность полностью зарядить аккумулятор за 10 минут. Это позволяет пробегу автомобиля достичь уровня 600 километров за одну зарядку», - сказал Цзи.
Проблемы с существующим электродным материалом батарей
Выбор правильного материала анода - ключ к созданию прочной батареи. Металлический литий имеет самую высокую плотность энергии для хранения энергии. Но вряд ли вы найдете батарею с анодом из чистого лития, потому что это потенциально опасно.
Когда отрицательно заряженные электроны проходят через внешний провод, в батарее возникает другой поток положительно заряженных частиц, называемых ионами лития.
Ученые обнаруживают, что с течением времени будет все труднее и труднее равномерно распределить возвращающиеся ионы на электроде. Вместо этого они будут накапливаться на поверхности, создавая то, что называется дендритом.
«Это приводит к образованию структуры, подобной дендриту, которая похожа на бамбук, растущий из земли и достигающий катода. Электроны будут течь в батарею, образуя внутреннее короткое замыкание», - сказал Джи.
Поэтому ученые решили заменить металлический литиевый электрод графитовым. Это делает новую батарею более знакомой людям: литий-ионная батарея.
В литий-ионных батареях в качестве анодного материала в основном используется графит. Поскольку графит имеет слоистую структуру, он позволяет ионам свободно перемещаться внутрь и наружу, не создавая дендритов. Однако он имеет меньшую емкость хранения энергии.
Новый материал: черный фосфор
Вот где пригодится новый альтернативный материал: черный фосфор.
Плохая новость заключается в том, что черного фосфора в природе не существует. Его необходимо искусственно производить в лаборатории путем нагревания более распространенного типа красного фосфора до чрезвычайно высокой температуры. Но это не самый большой его недостаток.
«Когда материал с черным фосфором хранится в нормальных условиях, его край слоистой структуры нестабилен. Эта структура разрушится. И ионы лития не могут попасть в структуру», - объяснил Джи.
Поэтому ученым необходимо усилить структуру черного фосфора. Джи и его команда начали использовать графит, поскольку он устойчив и имеет слоистую структуру. Для этого ученые поместили графит и черный фосфор в одну емкость. Быстрое вращение смешивает их и позволяет металлическим шарам внутри сильно ударить по комбинации.
Металлические шары ударяют по атомам углерода и фосфора под прямым углом. Огромная энергия, производимая при ударе, устанавливает новую связь между ними. Создан новый материал.
Этот новый материал обладает большей емкостью. По словам Цзинь Хунчана, исследователя из USTC, в батареях мобильных телефонов в качестве анодного материала обычно используется графит. С черным фосфором емкость батареи может быть увеличена примерно в четыре раза по сравнению с графитовой.
Если аккумулятор может быть успешно коммерциализирован, и ученые смогут найти подходящие катодные материалы и другие подходящие материалы, можно будет зарядить аккумулятор за считанные минуты.
