Исследователи из Технологического университета в Сингапуре разработали новую концепцию анода для литиево-ионных батарей и доказали её эффективность. Теперь аккумулятор сможет достигать 70% своей мощности всего за две минуты заряда.

Его срок службы также будет необычайно долгим – около десяти тысяч циклов заряда-разряда.

Изобретение может привести к производству высокоскоростных литиево-ионных батарей, которые будут использоваться как в портативной электронике, так и при производстве электромобилей.

Литиево-ионные батареи обязаны своей популярностью способности хранить большое количество энергии в сравнительно небольшом и лёгком корпусе.

Однако их подзарядка подчас может занимать довольно много времени. Во многом это связано с ограниченными свойствами анода, изготавливаемого из графита.

Ионы лития внутри батареи должны преодолевать большое расстояние, это занимает достаточно долгое время. К тому же ограниченная площадь поверхности электрода замедляет скорость электрохимических реакций и, как следствие, увеличивает время зарядки.

Рис. 1. Ученые за работой (здесь и далее фотографии NTU).

Группа учёных, возглавленная профессором Сяодуном Чэнем (Chen Xiaodong), разработала концепцию нового анода для батареи и доказала её эффективность, причём эта технология решает обе проблемы одновременно.

Исследователи заменили стандартный графитовый анод гелевым материалом, содержащим длинные нанотрубки из диоксида титана, достаточно распространённого, дешёвого и безопасного материала.

В результате получилась гораздо более долговечная батарея, которая к тому же значительно быстрее заряжается.

Исследовательская группа изготовила нанотрубки с помощью простого процесса смешивания диоксида титана с гидроксидом натрия и перемешивания при определённой температуре.

Важно отметить, что

учёные Сингапура создали наноструктуры достаточно длинными (до 40 микрометров), чтобы те могли быть использованы для создания анода батарей.

Формирование материала в анод позволило исследователям существенно сократить расстояние, которое необходимо преодолевать ионам лития для передачи заряда.

Кроме того,

нанотрубчатые структуры имеют значительную площадь поверхности (130 квадратных метров на грамм), что ускоряет химические реакции.

Рис. 2. Авторы новой концепции и их изобретение.

Есть у новой технологии и ещё одно преимущество. В стандартном литиево-ионном аккумуляторе графитовый электрод неоднократно расширяется и сжимается, вызывая механические напряжения, которые могут перевести к неисправности аккумулятора. В отличие от этого такие материалы как диоксид титана вполне могут послужить основой для создания долговечных батарей, так как они не расширяются и не сжимаются существенно в течение циклов разрядки-зарядки.

Когда дело дошло до практического доказательства эффективности концепции, батарея достигла 70% своей мощности за две минуты при токе в 8,5 А, хотя исследователи предполагали, что для полной зарядки нового аккумулятора потребуется минимум час.

Прототип также был протестирован на долговечность и показал потенциал в десять тысяч циклов заряда-разряда, что примерно в десять раз больше, чем у ныне используемых литиево-ионных батарей. Предполагается, что срок службы такого аккумулятора составит не менее 20 лет.

Рис. 3. Сяодун Чэнь, профессор Наньяньского технологического университета, глава рабочей группы.

Сингапурцы уверены, что

в течение ближайших двух лет эта технология будет лицензирована для массового производства. В течение следующего года планируется осуществить увеличение размеров батареи. Возможно, инновационные аккумуляторы будут использованы для персональной электроники.

Однако при попытке создания более крупных батарей для электромобилей исследователи столкнулись с определёнными проблемами. В данном случае будет необходим достаточно высокий ток для быстрой зарядки аккумулятора, то есть возникнет необходимость в создании очень большого кабеля, генерирующего много тепла, и оказывающего повышенную нагрузку на электрическую сеть.

Рис. 4. Схема работы концепции.

Научная статья группы Чэня была опубликована в журнале Advanced Materials.