Используя недорогую технику, исследователи определили процессы ограничения скорости, которые, если их устранить, могут позволить батареям в большинстве смартфонов и ноутбуков заряжаться всего за пять минут.
Исследователи из Кембриджского университета говорят, что их метод не только поможет улучшить существующие материалы для аккумуляторов, но и может ускорить разработку аккумуляторов следующего поколения, что является одним из самых больших технологических препятствий, которые необходимо преодолеть при переходе к использованию ископаемого топлива. Мир.
Результаты опубликованы в журнале Nature.
Хотя литий-ионные батареи имеют неоспоримые преимущества, такие как относительно высокая плотность энергии и длительный срок службы по сравнению с другими батареями и средствами хранения энергии, они также могут перегреваться или даже взорваться, и их производство относительно дорого. Кроме того, их плотность энергии далека от плотности бензина. Пока что это делает их непригодными для широкого использования в двух основных экологически чистых технологиях: электромобили и сетевые накопители для солнечной энергии.
«Лучшая батарея – это та, которая может хранить намного больше энергии, или та, которая может заряжаться намного быстрее – в идеале и то, и другое», – сказал соавтор доктор Кристоф Шнедерманн из Кэвендишской лаборатории Кембриджа. «Но чтобы сделать батареи из новых материалов лучше и улучшить батареи, которые мы уже используем, нам нужно понимать, что происходит внутри них."
Чтобы улучшить литий-ионные батареи и помочь им быстрее заряжаться, исследователи должны отслеживать и понимать процессы, происходящие в функционирующих материалах, в реальных условиях в режиме реального времени. В настоящее время для этого требуются сложные методы синхротронной рентгеновской или электронной микроскопии, которые требуют больших затрат времени и средств.
«Чтобы действительно изучить, что происходит внутри батареи, вам нужно заставить микроскоп делать две вещи одновременно: он должен наблюдать за зарядкой и разрядкой батарей в течение нескольких часов, но в то же время он должен очень быстро фиксировать процессы, происходящие внутри батареи ", – сказала первый автор Элис Мерривезер, аспирантка Кэвендишской лаборатории Кембриджа.
Команда Кембриджа разработала метод оптической микроскопии, называемый микроскопией интерферометрического рассеяния, чтобы наблюдать эти процессы в действии. Используя эту технику, они смогли наблюдать отдельные частицы оксида лития-кобальта (часто называемого LCO) заряжающимися и разряжающимися, измеряя количество рассеянного света.
Они смогли увидеть, как LCO претерпевает серию фазовых переходов в цикле заряда-разряда.
Фазовые границы внутри частиц LCO перемещаются и изменяются по мере того, как ионы лития входят и выходят. Исследователи обнаружили, что механизм движущейся границы различается в зависимости от того, заряжается или разряжается батарея.
«Мы обнаружили, что существуют разные ограничения скорости для литий-ионных аккумуляторов, в зависимости от того, заряжается он или разряжается», – сказал д-р Акшай Рао из лаборатории Кавендиша, руководивший исследованием. «При зарядке скорость зависит от того, насколько быстро ионы лития могут проходить через частицы активного материала. При разряде скорость зависит от того, насколько быстро ионы вставляются по краям.
Если мы сможем управлять этими двумя механизмами, это позволит литий-ионным аккумуляторам заряжаться намного быстрее."
«Учитывая, что литий-ионные батареи использовались десятилетиями, можно подумать, что мы знаем о них все, что нужно, но это не так», – сказал Шнедерманн. "Этот метод позволяет нам увидеть, насколько быстро он может пройти цикл заряда-разряда. Что мы действительно с нетерпением ждем, так это использовать эту технику для изучения материалов батарей нового поколения – мы можем использовать то, что мы узнали о LCO, для разработки новых материалов."
«Эта методика представляет собой довольно общий способ изучения динамики ионов в твердотельных материалах, поэтому вы можете использовать ее практически для любого типа материала батарей», – сказала профессор Клэр Грей из Кембриджского химического факультета Юсуфа Хамиеда, который был одним из руководителей исследовать.
Высокая пропускная способность методологии позволяет отбирать пробы многих частиц по всему электроду и, в дальнейшем, позволит дальнейшее изучение того, что происходит, когда батареи выходят из строя, и как это предотвратить.
«Этот лабораторный метод, который мы разработали, предлагает огромное изменение скорости технологии, так что мы можем идти в ногу с быстро меняющейся внутренней работой батареи», – сказал Шнедерманн. «Тот факт, что мы действительно можем видеть эти фазовые границы, изменяющиеся в реальном времени, был действительно удивительным. Этот метод может стать важной частью головоломки при разработке батарей следующего поколения."