Новые аноды помогают литию

Эта статья является частью нашей эксклюзивной серии IEEE Journal Watch, созданной в сотрудничестве с IEEE Xplore.

Исследователи создали новую конструкцию литий-ионной батареи, которая обеспечивает лучший поток электронов через анод, что значительно увеличивает емкость батареи и вдвое сокращает время, необходимое для зарядки. Это достижение описано в исследовании, опубликованном 14 апреля в журнале IEEE Journal on Flexible Electronics.

Электромобили являются ключевым способом потенциального сокращения выбросов парниковых газов. Но литий-ионным аккумуляторам в этих автомобилях по-прежнему требуется некоторое время для зарядки, что может удержать некоторых людей от внедрения этой технологии.

«Существует огромная потребность в инновациях в области аккумуляторов, которые могут обеспечить возможность быстрой зарядки с более длительным сроком службы», — говорит Химанага Эмани, доктор философии. научный сотрудник кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Западного Мичигана, принимавший участие в исследовании.

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, имеют аноды из графита, но исследователи изучают возможность использования других материалов, таких как графен. Графен состоит из тонких слоев углерода, который превосходит графит в качестве проводника электричества. Однако простого использования различных материалов может быть недостаточно для обеспечения необходимого заряда аккумуляторов.

Исследователи обнаружили, что просверливание сети вторичных пор (SPN) микрометрового масштаба (слева) в аноде батареи улучшило общую скорость зарядки батареи и сохранение емкости. Университет Западного Мичигана / IEEE

Поэтому Эмани и его команда использовали лазерное структурирование, чтобы создать сеть пор вдоль нового графенового анода. Эти крошечные отверстия позволяют электронам легче проходить через анод, что приводит к более быстрому времени зарядки. В то время как современные коммерческие литий-ионные батареи с графитовыми анодами имеют теоретическую емкость 372 миллиампер-часов на грамм, новый предлагаемый исследователями графеновый анод с порами может обеспечить емкость более 700 мАч/г.

Исследователи протестировали свой новый анод в серии экспериментов со временем зарядки от 10 минут до 2 часов при комнатной температуре. Результаты показывают, что при зарядке продолжительностью более часа новые аноды с порами не оказали существенного влияния на емкость аккумулятора по сравнению с обычными анодами. Но когда время зарядки составляло менее часа, графеновый анод с порами работал вдвое быстрее обычных анодов.

«Проще говоря, согласно нашим результатам, коммерческая батарея, для зарядки которой может потребоваться час, может заряжаться менее чем за 30 минут», — говорит Эмани.

Важно отметить, что новые аккумуляторы сохраняют свою емкость после многократного использования. Обычно аккумуляторы теряют свою емкость после нескольких циклов зарядки. В этом исследовании клетки со спорами продемонстрировали превосходное сохранение емкости — около 90 процентов — по сравнению с клетками без пор — всего 38 процентов — после 200 циклов зарядки.

В этом исследовании анализировались новые аноды в форме монетных элементов при комнатной температуре, отмечает Эмани. «Прежде чем выйти на рынок, мы хотели бы протестировать эти батареи в пакетных, цилиндрических и призматических элементах, поскольку это наиболее часто используемые базовые типы конфигураций батарей, [используемые] в электромобилях».

Команда также заинтересована в изучении этих пористых анодов при различных температурах. «Это ключевой параметр, поскольку аккумуляторы, используемые в электромобилях, подвергаются широкому диапазону температур в зависимости от географического положения, погоды и времени года, что еще больше повышает производительность аккумуляторов в суровых условиях», — говорит он.