Американские ученые представили новый способ создания батареи с очень высокими скоростями зарядки и разрядки и минимальными потерями емкости.

Быстрая скорость зарядки и выдачи полезной мощности важна для устройств накопления электрической энергии, но для большинства перезаряжающихся батарей увеличение этой скорости вызывает серьезное сокращение энергии, которая может быть запасена или передана. Конденсаторы большой емкости не страдают от этой проблемы, но они обладают гораздо меньшей плотностью энергии в расчете на массу по сравнению с батареями. Технология, которая соединит высокую скорость работы конденсаторов с большой плотностью энергии батарей, значительно продвинет производство устройств для накопления энергии.

Американские ученые в работе [1] представили новый способ создания батареи с очень высокими скоростями зарядки и разрядки и минимальными потерями емкости.

В статье рассмотрены два примера: никельгидридная батарея с катодом из оксигидрида никеля и литий-ионная батарея с катодом из литированного MnO₂. Оба электрода благодаря своей структуре обеспечивают очень высокую скорость зарядки и разрядки без потери емкости, несмотря на низкую электронную и/или ионную проводимость данных материалов.

На скорость работы и емкость батареи влияют четыре основных фактора:

1. транспорт ионов в элеткролите;
2. транспорт ионов в электроде;
3. электрохимические реакции в электроде и
4. электронная проводимость в электроде и коллекторе тока.

Необходимо одновременное понижение этих видов сопротивления во время перезарядки для увеличения производительности батареи. Самоорганизованный непрерывный объемный электрод, разработанный учеными, решает эту задачу (рис.1.b).

Рис.1. а.Схема батареи. b. Иллюстрация четырех основных сопротивлений в электроде. с. Изготовление электрода. Электролитически активная фаза обозначена желтым цветом, коллектор тока из пористого металла – зеленым. Электролит занимает оставшиеся поры.

На рисунке 1 дана схема синтеза электрода. Самоорганизованные подложки со структурой опала были приготовлены из сфер полистирола (диаметр сфер для NiMH катода – 1,8 мкм; 466 нм – для литий-ионного катода). Затем на подложки электрохимически осадили никель. После их удаления был получен никелевый каркас с обратной структурой опала (пористость 74%). Для повышения его общей пористости до 94% (теоретическая пористоть 96,4%) и увеличения размера окон между сопряженными порами использовали элеткрополировку. В конце в эту структуру был электрохимичеки осажден электролитически активный материал (NiOOH для NiMH катода и MnO₂ для литий-ионного катода). Диоксид марганца был литирован в расплаве смеси LiNO₃ и LiOH. Такие электроды обеспечивают быстрый перенос ионов за счет взаимопроникающей системы пор, заполненной электролитом, и обладает большой площадью поверхности, короткой диффузионной длиной, высокой проводимостью.

Рис.2. Данные SEM для непрерывного объемного электрода для каждой стадии синтеза. а. Никель с инвертированной структурой опала после электроосаждения (подложка из гранул диаметром 1,8 мкм). b. Поперечный срез NiOOH/Ni композитного катода. с. Поперечный срез NiOOH/Ni композитного катода после циклирования. d. Никель с инвертированной структурой опала после электрополировки (подложка из гранул диаметром 466 нм). e. MnO₂/ Ni композитный катод. f. литированный MnO₂/ Ni композитный катод.

Рис. 3. Сверхбыстрая разрядка и зарядка NiOOH электрода.
а. Кривые разрядки NiOOH/Ni катода при разных скоростях.
b. Кривые зарядки при постоянном потенциале (0, 45 V;
хлорсеребряный электрод) и кривые разрядки на скорости 6С
при постоянном потенциале за определенное время. Кривая,
помеченная «full charge» была получена при гальваностатической
зарядке на скорости 1С.

На рисунке 3 представлены кривые разрядки на разных скоростях (С-rate-1 – это время в часах требуемое для полной зарядки или разрядки электрода или батареи, и скорости nC обозначают, что выбранный ток разрядит систему за 1/n часов). По сравнению со скоростью 1С при 305С NiOOH катод разрядился на 90%, при повышении скорости разрядки до беспрецендентной величины 1,017C (291 А/г) электрод разрядился на 75% за 2,7 секунды. Похожие данные получены для электрода из литированного оксида магния – разрядка на 76% при скорости 185С и на 38% при 1114С. Гравиметрическая емкость NiOOH электрода составляет 286 мАч/г, а магниевого – 189 мАч/г. После 100 циклов емкость электрода NiOOH уменьшилась на 5%, емкость магниевого электрода после 50 циклов – на 12%. Морфология электродов не изменилась.

Рис. 4. Сверхбыстрая разрядка литированного
MnO₂ катода при скоростях от 1,1 до 1114^oС.

Рис. 5. Сверхбыстрая зарядка литий-ионной батареи.
Потенциостатическая зарядка при 3,6V за 60 с (голубая
кривая), 120 секунд (зеленая) и 800 секунд (красная), и
гальваностатическая разрядка при скорости 3С прототипа
литий-ионной батареи после каждого цикла зарядки.

Таким образом, ученым удалось продемонстрировать общий метод создания батарей с высокой скоростью перезарядки, совместимый со многими веществами. Короткие диффузионные длины в твердой фазе дают возможность использовать материалы для катода и анода, которые раньше не рассматривались в этом качестве из-за их низкой ионной и электрической проводимости. Толщину электрода легко варьировать, и данная технология может быть использована для промышленных объемов производства.

Результаты своих исследований авторы опубликовали в статье:

[1] Huigang Zhang, Xindi Yu & Paul V. Braun Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and -discharge bulk battery electrodes. – Nature Nanotechnology. – 2011. – doi:10.1038/nnano.2011.38; Published online 20 March 2011.