Раскрыта давняя тайна литий-ионных аккумуляторов

В течение многих лет исследователи стремились узнать больше о группе оксидов металлов, которые обещают стать ключевыми материалами для следующего поколения литий-ионных аккумуляторов из-за их загадочной способности накапливать значительно больше энергии, чем считалось возможным. Международная исследовательская группа под руководством Техасского университета в Остине взломала код этой научной аномалии, разрушив барьер на пути создания сверхбыстрых аккумуляторных систем хранения энергии.

Команда обнаружила, что эти оксиды металлов обладают уникальными способами хранения энергии за пределами классических электрохимических механизмов хранения. Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, обнаружило несколько типов соединений металлов, способных до трех раз больше накапливать энергию по сравнению с материалами, которые используются в сегодняшних коммерчески доступных литий-ионных батареях.

Расшифровывая эту загадку, исследователи помогают разблокировать аккумуляторы с большей энергоемкостью. Это может означать более компактные и более мощные источники, способные быстро заряжать все, от смартфонов до электромобилей.

«В течение почти двух десятилетий исследовательское сообщество было озадачено аномально высокими характеристиками этих материалов, превышающими их теоретические пределы, - сказал Гуйхуа Юй (Guihua Yu), доцент кафедры машиностроения Уолкера инженерной школы Кокрелла и один из лидеров проекта. - Эта работа демонстрирует самое первое экспериментальное свидетельство, показывающее, что дополнительный заряд физически хранится внутри этих материалов с помощью механизма хранения пространственного заряда».

Чтобы продемонстрировать это явление, команда нашла способ отслеживать и измерять, как элементы меняются с течением времени.

В основе открытия - оксиды переходных металлов, которые представляют собой соединения, содержащие кислород, связанный с переходными металлами, такими как железо, никель и цинк. Энергия может храниться внутри оксидов металлов - в отличие от типичных методов, при которых ионы лития перемещаются внутрь и из этих материалов или преобразуют их кристаллические структуры для хранения энергии. И исследователи показывают, что дополнительная зарядовая емкость также может храниться на поверхности наночастиц железа, образованных в ходе ряда обычных электрохимических процессов.

Согласно исследованию, широкий спектр переходных металлов может раскрыть эту дополнительную способность, и их объединяет общая черта - способность собирать электроны с высокой плотностью. Доц. Юй сказал, что эти материалы еще не готовы к выпуску в прайм-тайм, в первую очередь из-за незнания о них. Но исследователи заявили, что эти новые открытия должны пролить свет на потенциал этих материалов.

Ключевой метод, используемый в этом исследовании, названный in situ магнитометрией, представляет собой метод магнитного мониторинга в реальном времени для исследования эволюции внутренней электронной структуры материала. Он может количественно оценить емкость заряда, измеряя вариации магнетизма. Этот метод можно использовать для изучения накопления заряда в очень небольшом масштабе, который выходит за рамки возможностей многих традиционных инструментов определения характеристик.

«Наиболее значимые результаты были получены с помощью метода, который обычно используется физиками, но очень редко в сообществе производителей аккумуляторов, - сказал Юй.- Это отличная демонстрация прекрасного союза физики и электрохимии».