Tuo Wang et al./ ACS Nano 2017
Час зарядки ємних літій-іонних акумуляторів можна скоротити до п'яти хвилин, якщо використовувати літієвий анод на вуглецевої матриці на основі асфальту. Властивості акумулятора з таким анодом в своїй роботі вивчила група американських вчених з Університету Райса. Результати дослідження опубліковані в ACS Nano.
Одним із способів збільшити ємність літій-іонного акумулятора є використання в якості матеріалу анода металевого літію. Питома ємність металевого літію приблизно в 10 разів перевищує ємність графіту, який використовується зараз в промислових акумуляторах. Використання ж літієвих анодів обмежується в першу чергу технічними проблемами. Зокрема, на поверхні таких анодів утворюються металеві дендритні структури, які можуть привести до короткого замикання всередині батареї і подальшого вибуху. Для вирішення цієї проблеми зазвичай змінюють склад електроліту, що сприяє утворенню стійкої структури міжфазного шару на поверхні анода, або використовують інертну провідну пористу матрицю, на яку літій наноситься у вигляді тонкої плівки.
У своїй новій роботі американські вчені запропонували в якості такої інертної матриці використовувати пористий вуглецевий матеріал на основі асфальту. Питома площа поверхні такого матеріалу перевищує 3 тисячі квадратних метрів на грам. Для підвищення провідності її додатково змішували з графенових нанострічках, після чого отриманий матеріал за допомогою електрохімічного осадження покривали шаром літію. Співвідношення вуглецю і літію в отриманому в такий спосіб анодном матеріалі становило 5 до 1. Для акумуляторної осередку хіміки також використовували вуглецевий катод і висококонцентрований електроліт.
Циклічна стійкість анода при струмі в 2,5 міліампер на квадратний сантиметр протягом 500 циклів
Tuo Wang et al./ ACS Nano 2017
Учені випробували запропоновану конфігурацію акумулятора при токах зарядки від 2,5 до 20 міліампер на квадратний сантиметр. Експерименти підтвердили, що навіть при максимальній щільності струму матеріал електрода витримує не менш 500 циклів зарядки-розрядки. Питома потужність акумулятора склала тисячу триста двадцять дві ват на кілограм, а щільність енергії майже досягла 1 кіловат-годину на кілограм.За рахунок використання літію в якості анодного матеріалу, вченим вдалося значно підвищити ємність отриманих акумуляторів, яка склала 9.4 міліампер-годин на квадратний сантиметр. Особливо вчені відзначають можливість дуже швидкої зарядки такого акумулятора: час повної зарядки складає приблизно 5 хвилин, що в 10-20 разів менше, ніж у комерційних літій-іонних батарей.
Відомо, що маленька ємність і великий час зарядки - не єдині проблеми літій-іонних акумуляторів. Одна з головних їхніх проблем - це можливість самовільного займання і навіть вибуху. Для того, щоб запобігти можливому вибуху, акумулятори забезпечують механізмами відключення при перегріві, а щоб зменшити масштаб можливих наслідків в них можуть навіть вбудовувати вогнегасники .
Олександр Дубов