Naukowcy z Departamentu Energii w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Uniwersytetu Tennessee w Knoxville odkryli kluczowy materiał potrzebny do szybkiego ładowania akumulatorów litowo-jonowych. Podejście o znaczeniu komercyjnym otwiera potencjalną drogę do poprawy prędkości ładowania pojazdów elektrycznych.
Baterie litowo-jonowe (LIB) odgrywają zasadniczą rolę w krajowym portfolio technologii czystej energii. Większość hybrydowych pojazdów elektrycznych i całkowicie elektrycznych wykorzystuje LIB. Te akumulatory oferują zalety w zakresie niezawodności i wydajności, ponieważ mogą przechowywać więcej energii, ładować się szybciej i działać dłużej niż tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe. Jednak technologia ta wciąż się rozwija i konieczne są fundamentalne postępy, aby spełnić priorytety w zakresie poprawy kosztów, zasięgu i czasu ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych.
– Przezwyciężenie tych wyzwań będzie wymagało postępu w materiałach, które są bardziej wydajne, i metod syntezy, które są skalowalne dla przemysłu – powiedział Sheng Dai, naukowiec z tytułem ORNL Corporate Fellow i korespondent.
Wyniki opublikowane w Advanced Energy Materials pokazują nowatorski, szybko ładujący się materiał anodowy akumulatora, uzyskany za pomocą skalowalnej metody syntezy. Zespół odkrył nowy związek niobianu molibdenu i wolframu (MWNO) o szybkim ładowaniu i wysokiej wydajności, który może potencjalnie zastąpić grafit w komercyjnych bateriach.
Grafit od dziesięcioleci jest najlepszym materiałem używanym do produkcji anod LIB. W podstawowej konstrukcji akumulatora dwie elektrody stałe – katoda (dodatnia) i anoda (ujemna) – są połączone roztworem elektrolitu i separatorem. W LIB jony litu poruszają się tam i z powrotem między katodą a anodą, aby magazynować i uwalniać energię, która zasila urządzenia. Jednym z wyzwań dla anod grafitowych jest rozkład elektrolitu i tworzenie się osadu na powierzchni anody podczas procesu ładowania. To nagromadzenie spowalnia ruch jonów litu i może ograniczać stabilność i wydajność baterii.
– Ze względu na ten powolny ruch litowo-jonowy, anody grafitowe są postrzegane jako przeszkoda w ekstremalnie szybkim ładowaniu. Szukamy nowych, tanich materiałów, które mogą przewyższyć właściwości grafitu – powiedział badacz z tytułem doktora ORNL i pierwszy autor, Runming Tao. Cel Departamentu ds. Energii (DOE) w zakresie ekstremalnie szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych to osiągnięcie czasu 15 min lub mniej, aby móc konkurować z czasem tankowania w pojazdach napędzanych gazem, co jest kamieniem milowym, którego nie udało się osiągnąć w przypadku grafitu.
Konwencjonalna synteza tlenków niobu, takich jak MWNO, to energochłonny proces w otwartym ogniu, który generuje również toksyczne odpady. Praktyczna alternatywa może sprawić, że materiały MWNO staną się poważnymi kandydatami na zaawansowane baterie. Naukowcy zastosowali dobrze znany proces zol-żel, charakteryzujący się bezpieczeństwem i prostotą. W przeciwieństwie do konwencjonalnej syntezy wysokotemperaturowej, proces zol-żel jest niskotemperaturową metodą chemiczną przekształcania ciekłego roztworu w materiał stały lub żelowy i jest powszechnie stosowany do wytwarzania szkła i ceramiki.
Zespół przekształcił mieszaninę cieczy jonowej i soli metali w porowaty żel, który poddano obróbce cieplnej w celu poprawy końcowych właściwości materiału. Strategia niskoenergetyczna umożliwia również odzyskiwanie i recykling ciekłego rozpuszczalnika jonowego używanego jako szablon dla MWNO.
Zdjęcie: ORNL/Genevieve Martin, Departament Energii Stanów Zjednoczonych
Źródło: Oak Ridge National Laboratory, USA Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
