Время зарядки емких литий-ионных аккумуляторов можно сократить до пяти минут, если использовать литиевый анод на углеродной матрице на основе асфальта. Свойства аккумулятора с таким анодом в своей работе изучила группа американских ученых из Университета Райса. Результаты исследования опубликованы в ACS Nano.

Одним из способов увеличить емкость литий-ионного аккумулятора является использование в качестве материала анода металлического лития. Удельная емкость металлического лития примерно в 10 превышает емкость графита, который используется сейчас в промышленных аккумуляторах. Использование же литиевых анодов ограничивается в первую очередь техническими проблемами. В частности, на поверхности таких анодов образуются металлические дендритные структуры, которые могут привести к короткому замыканию внутри батареи и последующему взрыву. Для решения этой проблемы обычно изменяют состав электролита, что способствует образованию устойчивой структуры межфазного слоя на поверхности анода, или используют инертную проводящую пористую матрицы, на которую литий наносится в виде тонкой пленки.

В своей новой работе американские ученые предложили в качестве такой инертной матрицы использовать пористый углеродный материал на основе асфальта. Удельная площадь поверхности такого материала превышает 3 тысячи квадратных метров на грамм. Для повышения проводимости ее дополнительно смешивали с графеновыми нанолентами, после чего полученный материал с помощью электрохимического осаждения покрывали слоем лития. Соотношение углерода и лития в полученном таким образом анодном материале составляло 5 к 1. Для аккумуляторной ячейки химики также использовали углеродный катод и высококонцентрированный электролит.

Циклическая устойчивость анода при токе в 2,5 миллиампер на квадратный сантиметр в течение 100 циклов. Tuo Wang et al./ ACS Nano, 2017

Ученые испытали предложенную конфигурацию аккумулятора при токах зарядки от 2,5 до 20 миллиампер на квадратный сантиметр. Эксперименты подтвердили, что даже при максимальной плотности тока материал электрода выдерживает не меньше 500 циклов зарядки-разрядки. Мощность аккумулятора составила 1322 ватт на килограмм, а плотность энергии почти достигла 1 киловатт-час на килограмм.

За счет использования лития в качестве анодного материала, ученым удалось значительно повысить емкость полученных аккумуляторов, которая составила 9.4 миллиампер-часов на квадратный сантиметр. Особо ученые отмечают возможность очень быстрой зарядки такого аккумулятора: время полной зарядки составляет примерно 5 минут, что в 10—20 раз выше, чем у коммерческих литий-ионных батарей.

Известно, что маленькая емкость и большое время зарядки — не единственные проблемы литий-ионных аккумуляторов. Одна из главных их проблем — это возможность самопроизвольного возгорания и даже взрыва. Для того, чтобы предотвратить возможный взрыв, аккумуляторы обеспечивают механизмами отключения при перегреве, а чтобы уменьшить масштаб возможных последствий в них могут даже встраивать огнетушители.

Автор: Александр Дубов