Исследователи из Корейского института науки и технологий (KAIST) и компании LG Energy Solution заявили, что нашли решение для обеспечения быстрой зарядки аккумуляторов электрокаров.
Сейчас, когда проблема запаса хода электрокаров наконец решена, ключевой преградой для более широкого внедрения электрического транспорта остается время зарядки. В своем исследовании южнокорейские ученые отмечают, что знают, как ускорить время зарядки аккумуляторов.
В частности, ученые продемонстрировали литий-металлический аккумулятор, способный зарядиться с 10% до 80% за примерно 15 минут. Большинство автомобилей продолжает использовать преимущественно Li-ion-батареи — надежные, относительно безопасные, однако близкие к пределу собственных возможностей.
Энергия в Li-ion-аккумуляторах хранится в графитовой структуре на аноде. Однако графитовые аноды ограничивают количество энергии, которое может хранить аккумулятор. Зато литий-металлические аккумуляторы представляют новое поколение. Анод в них состоит из сверхтонкого слоя чистого лития. Это значительно увеличивает потенциальную плотность энергии в аккумуляторе, позволяя электрокарам покрывать большие расстояния на одном заряде.
Сравнение циклов зарядки-разрядки литий-ионных и литий-металлических аккумуляторов/Nature Energy
Однако слишком ускоренная зарядка литий-металлических аккумуляторов приводит к тому, что литий образует на аноде игольчатые наросты — дендриты. Это реальная проблема для современных аккумуляторов этого типа, поскольку увеличение размеров дендритов может привести к повреждению барьера между положительным и отрицательным полюсами в аккумуляторе, вызвав короткое замыкание, полный отказ или возгорание. По меньшей мере, дендриты снижают емкость и срок службы аккумулятора.
Долгое время ученые считали быструю зарядку и долговечность литий-металлических аккумуляторов несовместимыми. Команда южнокорейских исследователей под руководством профессора Хи-Так Кима определила причину образования дендритов, связанную с так называемой неравномерной межфазной когезией металлического лития. Интенсивный ток, который возникает во время быстрой зарядки, вызывает комкование химических компонентов, создавая неэффективный экран.
Исследователи использовали криогенную электронную просвечивающую микроскопию и смогли непосредственно увидеть этот процесс. Они убедились, что быстрая зарядка приводит к образованию разрозненных кристаллических областей размером около 5-8 нм.
Чтобы предотвратить это, ученые испытывали электролиты с различным составом. В итоге они остановились на жидком электролите, подавляющем образование дендритов даже в условиях быстрой зарядки. При этом наилучшие результаты продемонстрировали относительно слабые в химическом смысле электролиты, не образующие прочных связей с анионами лития.
По результатам испытаний, мощный аккумулятор с лучшим электролитом заряжался от 5% до 70% всего за 12 минут и выдерживал более 350 циклов зарядки-разрядки. Высокоэнергетическая версия, рассчитанная на максимальный запас хода с расчетной плотностью энергии 386 Вт-ч/кг, достигла уровня заряда от 10% до 80% всего за 17 минут и выдерживала 180 циклов.
«Это исследование стало ключевой основой для преодоления технических проблем, связанных с литий-металлическими аккумуляторами, благодаря пониманию структуры межфазного интерфейса. Оно преодолело главное препятствие на пути внедрения литий-металлических аккумуляторов для электромобилей», — объясняет профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии в KAIST Хи Так Ким.
Результаты исследования представлены в журнале Nature Energy
Источник: ZME Science
No Comment! Be the first one.