Новое исследование китайских ученых демонстрирует новый подход к повышению производительности аккумуляторов и конденсаторов. Исследователи разработали простой, но эффективный способ производства материала с отличными характеристиками для использования в устройствах, использующих литий-ионный накопитель.
Свои результаты они опубликовали в Nano Research 1 апреля.
Почему литий?
Технологии накопления энергии приобретают все большее значение, поскольку мир движется к углеродной нейтральности, стремясь к дальнейшей электрификации автомобильного сектора и сектора возобновляемых источников энергии. Литий-ионная технология имеет решающее значение для обеспечения этого сдвига.
«Среди всех доступных кандидатов накопители энергии , использующие литий-накопительную химию, такие как литий-ионные батареи и литий-ионные конденсаторы, могут обеспечить наилучшую производительность на текущем этапе», — говорит автор исследования Хан Ху, научный сотрудник Института. Новой энергии, Китайский университет нефти.
Однако использование литий-ионной технологии для хранения энергии ограничено ее эффективностью по сравнению с размером. В исследовании 2021 года, на которое ссылаются авторы, утверждается, что для повышения рыночной конкурентоспособности электромобилей литий-ионные батареи должны стать более эффективными как по весу, так и по объему. Таким образом, дальнейшее улучшение емкости хранилища может стать ключом к достижению целей углеродной нейтральности , придавая исследованиям производительности литий-ионных аккумуляторов и конденсаторов с использованием новых материалов первостепенное значение.
Создание нового материала
Углеродистые материалы, легированные азотом, в настоящее время являются доминирующим выбором в литиевых аккумуляторных батареях и конденсаторах, при этом перенос электронов и ионов является фундаментальным процессом для электрохимического накопления энергии. Однако, поскольку углеродсодержащие материалы неполярны, а заряды равномерно распределены по их молекулам, заряженный литий (Li + ) с трудом прилипает к материалам, несмотря на его ненасыщенную конфигурацию, которая дает ему подходящую энергию связи.
Поэтому исследователи добавили в углеродные нановолокна железо (Fe), чтобы отрегулировать химический состав их поверхности, чтобы способствовать увеличению переноса электронов и ионов. С помощью электроформования они изготовили серию образцов углеродных нановолокон с содержанием Fe. Затем они оценили способность образцов хранить Li + , используя различные методы электрохимических испытаний. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия выявила трехмерную взаимосвязанную сеть гладких волокон без скоплений частиц железа, что указывает на то, что они были хорошо диспергированы.
Результаты показали, что добавление атомарного Fe изменило электронную структуру углеродных материалов, чтобы повысить электропроводность , а также уменьшить сопротивление диффузии Li + . Исследователи объясняют, что электрохимические характеристики были улучшены в основном за счет синергетического эффекта атомарного Fe и образования связи Fe-N, которая обнажила более активные связи, к которым мог прилипнуть Li + . Результатом стало улучшение характеристик хранения лития. Изготовленный анод выдавал устойчивую электрическую мощность в течение 5000 циклов высокой плотности тока, обеспечивая как высокую энергию , так и большую плотность мощности. Его переплетенная структура волокон обеспечивает структурную стабильность и улучшенную проводимость.
Автор исследования Янан Ли, также являющийся научным сотрудником Китайского нефтяного университета, объясняет, как конформация материалов, впервые использованная в этом исследовании, «достигла кинетически ускоренного хранения Li + и достойной производительности при высоких массовых нагрузках», используя «простой метод получения атомарного Fe, украшенного углеродные нановолокна».
Авторы исследования подчеркивают, что использование углеродных нановолокон может сократить разрыв между фундаментальными исследованиями и практическими приложениями. Они ожидают принятия нового материала для использования в ряде устройств накопления энергии. «Коврики из электропряденого углеродного нановолокна очень гибкие, что предполагает их возможность создания гибких и переносных устройств хранения энергии», — говорит Ху. Углеродные нановолокна будут служить электродами. Кроме того, говорят исследователи, они стремятся изучить использование других одноатомных металлов натрия, калия и цинка для увеличения накопления электрохимической энергии.
