Исследователи из Университета штата Бойсе разработали новый подход к созданию новых материалов для литий-ионных аккумуляторов. Начав с аморфного (то есть материала, лишенного дальнего порядка) оксида ниобия, команда обнаружила, что сам процесс циклирования материала с литием вызывает преобразование в новый кристаллический анод Nb 2 O 5 с исключительным накоплением лития и быстрым циклированием. . Этот процесс потенциально может быть использован для изготовления других материалов для литий-ионных аккумуляторов, которые не могут быть легко получены традиционными способами.
Исследование, проведенное под совместным руководством исследователей из лабораторий Хуи (Клэр) Сюн, профессора материаловедения и инженерии в Государственном университете Бойсе, и Шью Пинг Онга, профессора наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего, было опубликовано в журнале Nature . Материалы .
Открытие новых материалов для литий-ионных аккумуляторов приобрело новую актуальность. Из-за роста цен на бензин резко вырос спрос на электромобили (EV), а вместе с ними и на литий-ионные батареи, которые их питают. Однако сегодняшние литий-ионные аккумуляторы все еще слишком дороги и слишком медленно заряжаются.
«Литий-ионные аккумуляторы являются ведущей технологией на рынке перезаряжаемых аккумуляторов, но также растет спрос на аккумуляторы с высокой энергией и более быстрым временем зарядки», — сказал Пит Барнс, доктор философии. выпускник Лаборатории электрохимических энергетических материалов Сюн в Школе материаловедения и инженерии Micron и ведущий автор работы. «Если вы хотите зарядить свой электромобиль в течение 15 минут, а затем отправиться в путь на следующие 200 или 300 миль, вам нужны новые аккумуляторные электроды, которые можно заряжать с очень высокой скоростью без большой потери производительности».
Одним из самых узких мест в зарядке современных литий-ионных аккумуляторов является анод. Самый распространенный анод сделан из графита, который очень энергоемок, но не может заряжаться слишком быстро из-за риска возгорания и взрыва в процессе, известном как металлическое покрытие литием. Интеркаляционные оксиды металлов, такие как каменная соль Nb 2 O 5 , обнаруженная командой, являются многообещающими альтернативами анодам из-за снижения риска нанесения литиевого покрытия при низких напряжениях.
Чтобы создать новый анодный материал, группа Сюн разработала новую инновационную технику, называемую электрохимически индуцированным преобразованием аморфного состояния в кристаллическое. Новый электрод может обеспечить высокую емкость лития 269 мАч/г при скорости зарядки 20 мА/г и, что более важно, продолжает сохранять высокую емкость 191 мАч/г при высокой скорости зарядки 1 А/г.
«Самым захватывающим аспектом этой работы является открытие совершенно нового подхода к созданию новых электродов для литий-ионных аккумуляторов», — сказал Сюн. «Хитрость заключается в том, чтобы начать с фазы с более высокой энергией, такой как аморфный материал. Простое циклирование материала с литием позволяет нам создавать новые кристаллические структуры, которые демонстрируют улучшенные свойства по сравнению с теми, которые достигаются с помощью традиционных средств, таких как твердотельные реакции».
Исключительная производительность анода обусловлена его неупорядоченной структурой каменной соли или DRX, которая похожа на обычную кухонную поваренную соль, но с атомами Li и Nb, расположенными случайным образом. В то время как катодные материалы DRX хорошо известны, аноды DRX относительно редки. Используя вычислительные методы, Юньсин Цзо, доктор философии. выпускник виртуальной лаборатории материалов Онга в Калифорнийском университете в Сан-Диего, показал, что процесс введения лития в аморфный Nb 2 O 5 позволяет материаловедам получать доступ к метастабильным материалам. Команда также разработала метрику для идентификации других оксидов металлов, которые потенциально могут быть синтезированы аналогичным образом. Расчеты также показывают, что структура DRX содержит пути для быстрой диффузии лития, что приводит к высокой производительности.
«Мы считаем, что эта работа — всего лишь начало совершенно нового взгляда на синтез материалов», — сказал Онг. «Атомы любят располагаться определенным образом. Когда мы создаем материалы традиционным способом, мы обычно получаем одно и то же расположение снова и снова. Этот новый подход открывает многообещающие возможности для создания других нетрадиционных оксидов металлов».
Теги: батарея, Солнце, энергия
