Исследователи из Корнелльского университета под руководством профессора Линдена Арчера разработали новую литиевую батарею, которая заряжается всего за пять минут. Это революционное достижение может решить проблему долгой зарядки электромобилей и значительно ускорить их повсеместное внедрение.
Проблема долгой зарядки
В стремлении к снижению транспортных выбросов многие страны мира нацелены на электрификацию различных видов транспорта. Лидерами этой трансформации выступают автомобили, автобусы и грузовики, а некоторые страны планируют полностью запретить продажу автомобилей с двигателями внутреннего сгорания в ближайшее десятилетие.
Однако одним из главных препятствий для всеобщего перехода на электромобили остается длительное время их зарядки. Даже самые современные коммерческие зарядные станции требуют не менее 30 минут для полной зарядки аккумулятора, что значительно превышает привычное время заправки бензиновых и дизельных автомобилей.
“Если мы сможем заряжать батарею электромобиля за пять минут, нам не понадобится такой большой запас хода, как 300 миль [около 480 км]. Возможность уменьшить емкость аккумулятора позволит снизить стоимость электромобилей и стимулировать их более широкое распространение", - говорит профессор Арчер.
Новый подход к старой проблеме
Команда Арчера ранее уже работала над проблемой зарядки литий-ионных батарей, уделяя особое внимание движению ионов в электролите и их кристаллизации на анодах. Это позволило им создать более безопасные аноды с большим сроком службы.
Для разработки батареи с быстрой зарядкой команда сменила фокус и обратилась к кинетике электрохимических реакций. Они детально изучили концепцию числа Дамкёлера, которое характеризует скорость реакции и скорость транспортировки материала к месту реакции.
Исследователи искали материалы с низкими значениями числа Дамкёлера, что говорит о высокой скорости перемещения, и обнаружили, что для этой цели подходит мягкий металл индий.
Индий применяют в качестве припоя с низкой температурой плавления для создания оксида индия и олова - материала покрытия для солнечных панелей и сенсорных экранов. Ученые выяснили, что индий обладает очень низким энергетическим барьером для миграции ионов, что способствует быстрой диффузии, а также высокой плотностью обменного тока, то есть скоростью восстановления ионов на аноде. Сочетание этих факторов приводит к быстрой зарядке и длительному хранению энергии.
“Ключевым нововведением является открытый нами принцип проектирования, который позволяет ионам металла на аноде батареи свободно перемещаться, находить нужную конфигурацию и только затем участвовать в реакции накопления заряда. В результате в каждом цикле зарядки электрод находится в стабильном морфологическом состоянии. Именно это обеспечивает нашим новым аккумуляторам с быстрой зарядкой возможность многократной зарядки и разрядки в течение тысяч циклов”, - говорит профессор Арчер.
Исследователи полагают, что совмещение этой технологии с индукционными беспроводными зарядными устройствами может привести к уменьшению размера аккумуляторных блоков в транспортных средствах, что еще больше снизит их стоимость.
Однако есть и препятствие, которое предстоит преодолеть. Индий является очень тяжелым металлом и может не подходить для создания батарейных блоков. В настоящее время команда работает над поиском других легких материалов, которые могли бы выполнять аналогичную роль.
Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.
