Ученые из Университета штата Миссисипи и Университета штата Флорида (оба — США) показали, что при использовании осциллирующего электрического поля длительность процесса заряда аккумулятора должна значительно сокращаться.

Ключевой момент процесса заряда литиевой батареи — встраивание (интеркаляция) ионов лития в высокопористый графитовый электрод (получается разновидность компаунда — GIC). В ходе обычной зарядки электрическое поле, образованное при приложении напряжения к электродам, помогает ионам лития преодолеть потенциальный барьер в графите и проникнуть в него. Скорость этого «насыщения» — один из важнейших лимитирующих факторов, определяющих темп заряда в целом.

Чтобы изучить интеркаляцию детальнее, авторы новой работы, используя метод молекулярной динамики, построили модель данной части аккумулятора. В моделируемой системе анод был составлен из четырех графитовых слоев по 160 атомов углерода в каждом. Электролит представляли 87 молекул этиленкарбоната и 69 молекул пропиленкарбоната. В электролите находились два иона гексафторфосфата PF₆^- и десять ионов лития Li⁺. В ходе различных «издевательств» над этой системой выяснилось, что приложение к графитовому электроду внешнего осциллирующего электрического поля (перпендикулярно графеновым листам, с частотой 25 гигагерц) заметно ускоряет интеркаляцию, помогая литию преодолевать потенциальный барьер. Кроме того, дополнительное поле ускоряет распространение ионов лития в электролите, но вклад этого эффекта в общее сокращение времени заряда не так велик.

Заманчивее всего оказалось открытие того факта, что с ростом амплитуды поля среднее время, необходимое «тестовым» ионам, чтобы запрыгнуть внутрь графита, падает экспоненциально. Это было проверено сотнями раундов моделирования с различными параметрами поля и случайным исходным положением молекул. Детали работы раскрывает открытая статья в журнале PCCP.

Компьютерная модель анода литиевой батареи, применённая в данном исследовании