Исследователи батареи в Кембриджском университете в Англии работают над новым новым материалом-ниобиевым вольфрамовым оксидом — для использования в качестве электрода батареи. Их первоначальная работа показывает, что материал может значительно улучшить время зарядки и может найти применение в будущих электромобилях (EV).
Практические, коммерческие литиево-ионные батареи уже почти 30 лет доступны. Они стали почти повсеместными, находят приложения во всем: от персональной электроники и медицинских устройств до электромобилей и коммунальных сетей, систем хранения электросети. Значительная часть разработки литиево-ионных батарей была ориентирована на стоимость и привела к сокращению примерно с 1000 долл. / Киловатт-час (кВтч) с десятилетия назад до сегодняшней цены менее 150 долл. / КВтч.
Барьеры для быстрой зарядки
Если литиево-ионные батареи будут продолжать использовать наше будущее, однако, некоторые изменения будут иметь место. Литиево-ионные аккумуляторы обладают некоторыми из самых высоких энергетических плотностей и выходных мощностей любого электрического запоминающего устройства. Но они бледнеют по сравнению с энергией, содержащейся в эквивалентном весе жидкого ископаемого топлива, такого как бензин. Литий-ионные батареи также довольно чувствительны, когда дело доходит до быстрой зарядки, что может привести к образованию остроконечных кристаллов дендрита лития, которые образуются на аноде и могут вызвать пожары. Быстрая разрядка может вызвать чрезмерное накопление тепла внутри ячеек, что также может создать угрозу безопасности.
Для многих современных исследований материалов, посвященных литиево-ионным батареям, цель состоит в разработке батарей, которые могут безопасно заряжать намного быстрее и содержать больше энергии. Батарея с такими возможностями была бы благом для электромобилей, которые затем могли бы двигаться дальше на одном заряде и перезаряжать в считанные минуты вместо часов.
| Батареи состоят из трех частей: положительного электрода, называемого катодом, отрицательного электрода, называемого анодом, и электролита, который позволяет перемещать ионы между двумя электродами. Когда заряжается аккумулятор, ионы лития извлекаются из положительного электрода. Они проходят через кристаллическую структуру катода и в электролит, в конечном итоге достигая отрицательного анода, где они хранятся. Чем быстрее этот процесс происходит, тем быстрее можно зарядить аккумулятор. Одним из способов ускорения зарядки является попытка уменьшить размер частиц катода. «Идея заключается в том, что, если вы сделаете расстояние, чтобы ионы лития должны были двигаться короче, это должно дать вам более высокую скорость работы», — сказал Кент Гриффит, докторант из Химического факультета Кембриджского университета, в пресс-релизе университета. «Но трудно изготовить практичную батарею с наночастицами: вы получаете намного больше нежелательных химических реакций с электролитом, поэтому батарея длится недолго, плюс это дорого, — добавил Гриффит. No Nano Многие исследовательские группы по всему миру исследуют наноматериалы для аккумуляторных электродов, но это не подход, который команда в Кембридже обязательно следит. «Наночастицы могут быть сложными, поэтому мы ищем материалы, которые по своей природе обладают свойствами, которые мы ищем, даже если они используются в качестве сравнительно крупных частиц микронного размера. Это означает, что вам не нужно проходить сложный процесс, чтобы сделать их, что снижает затраты », — сказал профессор Клэр Грей, также из отдела химии Кембриджа. «Наночастицы также трудны для работы на практическом уровне, поскольку они, как правило, довольно« пушистые ». Поэтому их трудно собрать вместе, что является ключевым фактором для объемной плотности энергии батареи». Кембридж смотрит на оксиды ниобия вольфрама, которые имеют жесткую открытую структуру, которая не захватывает вставленный литий. Эти оксиды имеют более крупные размеры частиц, чем многие другие электродные материалы. Из-за их сложных атомных устройств такие материалы не получили большого внимания при использовании батарей. «Многие материалы для батарей основаны на тех же двух или трех кристаллических структурах, но эти оксиды ниобия вольфрама принципиально отличаются друг от друга», — сказал Гриффит. «Оксиды удерживаются« колоннами »кислорода, что позволяет ионам лития перемещаться через них в трех измерениях». Гриффит продолжал говорить: «Кислородные колонны или плоскости сдвига делают эти материалы более жесткими, чем другие батареи. Таким образом, плюс их открытые структуры, означает, что больше ионов лития может двигаться через них и намного быстрее ». Ниобий — это мягкий, пластичный переходный металл, который не встречается в природе, но сочетается с другими элементами минералов. Он используется в производстве стали и супер сплава. Вольфрам также встречается как комбинация других элементов в минералах и имеет самую высокую температуру плавления всех элементов. Он чрезвычайно плотный (примерно в 1,7 раза выше свинца). Вольфрам считается редким металлом и используется, когда его объединяют в карбиде в качестве измельчающего материала, в высокотемпературных сплавах и в боеприпасах, где его высокая плотность придает чрезвычайно высокую энергию удара. ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:
Это процесс Несмотря на то, что работа в Кембриджском университете была опубликована в Nature, команда еще не проверила батарейки с оксидами ниобия вольфрама. В исследовании использовался метод, называемый спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР) импульсного поля для измерения движения ионов лития через оксиды. Они обнаружили, что литий двигался со скоростью на несколько порядков выше, чем в обычных материалах электродов батарей Плотность и редкость вольфрама могут не сделать его первым выбором для недорогих приложений для батарей, но важно изучить различные материалы, чтобы понять основные механизмы игры. Профессор Грей сказал, что важно продолжать поиск новых химикатов и новых материалов. «Поля застаиваются, если вы не ищите новых соединений», — сказала она. «Эти интересные материалы дают нам хорошее представление о том, как мы могли бы разработать материалы с более высокими скоростями электродов». Старший редактор Кевин Клеменс уже более 30 лет пишет об энергетических, автомобильных и транспортных темах. Имеет степень магистра в области материаловедения и экологического образования, а также докторскую степень по машиностроению, специализирующуюся на аэродинамике. Он установил несколько мировых рекордов скорости на электромобилях, которые он построил в своей мастерской.
|
Загрузка...