Исследование, проведенное совместно наноинженерами из лабораторий профессоров Пинг Лю и Шюэ Пинг Онг, было опубликовано в журнале Nature 2 сентября.
В настоящее время два материала используются в качестве анодов в большинстве имеющихся в продаже литий-ионных аккумуляторов, которые обеспечивают питание таких устройств, как сотовые телефоны, ноутбуки и электромобили.
Самый распространенный, графитовый анод, чрезвычайно энергоемкий – литий-ионный аккумулятор с графитовым анодом может привести автомобиль в действие на сотни миль без необходимости подзарядки. Однако слишком быстрая перезарядка графитового анода может привести к пожару и взрывам из-за процесса, называемого металлизацией лития.
Более безопасная альтернатива, анод из титаната лития, можно быстро перезарядить, но это приводит к значительному снижению плотности энергии, а это означает, что аккумулятор необходимо заряжать чаще.
Этот новый неупорядоченный анод из каменной соли – Li3V2O5 – занимает важную золотую середину: он безопаснее в использовании, чем графит, но при этом предлагает батарею, по крайней мере, на 71% больше энергии, чем у титаната лития.
«Емкость и энергия будут немного ниже, чем у графита, но он быстрее, безопаснее и имеет более длительный срок службы.
Он имеет гораздо более низкое напряжение и, следовательно, гораздо более высокую плотность энергии по сравнению с текущими коммерчески доступными быстро заряжающимися литий-титанатными анодами », – сказал Хаодун Лю, научный сотрудник лаборатории профессора Пин Лю и первый автор статьи. «Таким образом, из этого материала мы можем изготавливать быстро заряжающиеся, безопасные батареи с длительным сроком службы, не жертвуя слишком большой плотностью энергии."
Исследователи создали компанию Tyfast, чтобы коммерциализировать это открытие.
Первыми рынками для стартапа станут электрические автобусы и электроинструменты, поскольку характеристики неупорядоченной каменной соли Li3V2O5 делают ее идеальной для использования в устройствах, где подзарядка может быть легко запланирована.
Исследователи в лаборатории профессора Лю планируют продолжить разработку этого анодного материала из оксида лития и ванадия, а также оптимизировать другие компоненты батареи для разработки коммерчески жизнеспособной полной ячейки.
«В течение долгого времени аккумуляторное сообщество искало анодный материал, работающий с потенциалом чуть выше графита, чтобы обеспечить безопасную и быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов.
Этот материал заполняет важный пробел в знаниях и применении ", – сказал Пинг Лю. «Мы рады его коммерческому потенциалу, поскольку этот материал может стать незаменимым решением для современного процесса производства литий-ионных аккумуляторов."
Зачем пробовать этот материал?
Шесть лет назад исследователи впервые экспериментировали с неупорядоченной каменной солью в качестве катода батареи. С тех пор было проделано много работы, чтобы превратить этот материал в эффективный катод. Хаодун Лю сказал, что команда Калифорнийского университета в Сан-Диего решила испытать материал в качестве анода, основываясь на догадках.
"Когда люди используют его в качестве катода, они должны разрядить материал до 1.5 вольт ", – сказал он. "Но когда мы посмотрели на структуру катодного материала на 1.5 вольт, мы думали, что этот материал имеет особую структуру, которая может принимать больше ионов лития – это означает, что он может перейти на еще более низкое напряжение, чтобы работать как анод."
В ходе исследования команда обнаружила, что их неупорядоченный анод из каменной соли может обратимо циклировать два иона лития при среднем напряжении 0.6 В – выше 0.1 В графита, что исключает металлическое покрытие лития при высокой скорости заряда, что делает аккумулятор более безопасным, но ниже, чем 1.5 В, при котором титанат лития интеркалирует литий и, следовательно, накапливает гораздо больше энергии.
Исследователи показали, что анод Li3V2O5 может выдерживать более 6000 циклов с незначительным снижением емкости и может быстро заряжать и разряжать энергию, обеспечивая более 40 процентов своей емкости за 20 секунд. Низкое напряжение и высокая скорость передачи энергии обусловлены уникальным перераспределительным механизмом интеркаляции лития с низкими энергетическими барьерами.
Постдокторант Чжоин Чжу из виртуальной лаборатории материалов профессора Шюэ Пин Онга провел теоретические расчеты, чтобы понять, почему неупорядоченный анод из каменной соли Li3V2O5 работает так же хорошо, как и он.
«Мы обнаружили, что Li3V2O5 действует посредством механизма зарядки, который отличается от других электродных материалов.
Ионы лития перестраиваются таким образом, что приводит как к низкому напряжению, так и к быстрой диффузии лития », – сказал Чжоин Чжу.
«Мы считаем, что есть и другие электродные материалы, которые ждут своего открытия, которые работают по аналогичному механизму», – добавил Онг.
Экспериментальные исследования в Калифорнийском университете в Сан-Диего финансировались за счет грантов стартового фонда Калифорнийского университета в Сан-Диего, предоставленных Пин Лю, а теоретические исследования финансировались Министерством энергетики и программой строительства инфраструктуры данных (DIBBS) Национального научного фонда. и использовал ресурсы Суперкомпьютерного центра Сан-Диего, предоставленные в рамках Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).