Современное общество массово переходит от ископаемого топлива к возобновляемым ресурсам и электрическим батареям. Несмотря на настоятельную необходимость перехода на более экологичные методы, основные проблемы, связанные с эффективностью и устойчивостью, требуют преодоления. Например, массовому внедрению на рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов для использования в электромобилях препятствует низкая скорость их зарядки. «Экстремальная» быстрая зарядка (при которой 80% батареи заряжается в течение 10 минут), высокая плотность энергии и длительный срок службы — это «Святой Грааль» функций, которые автомобильная промышленность ищет в батареях.
Чтобы обеспечить возможность быстрой зарядки аккумуляторов, исследователи давно пытались улучшить массоперенос электролитов и перенос заряда в электродах, при этом были проведены обширные исследования первого по сравнению со вторым. Теперь исследование, проведенное группой исследователей под руководством профессора Нориёси Мацуми из Японского передового института науки и технологий (JAIST), демонстрирует новый подход к облегчению быстрой зарядки с использованием связующего материала, который способствует интеркаляции литий-иона активного материала. Связующий материал приводит к улучшенной диффузии десольватированных ионов лития через поверхность раздела твердого электролита (SEI) и внутри материала анода и обеспечивает высокую проводимость, низкий импеданс и хорошую стабильность.
В состав группы входили бывший старший преподаватель Раджашекар Бадам, научный сотрудник с докторской степенью Ануша Прадхан, бывший аспирант Рёя Мияири и аспирант Нориюки Такамори из JAIST. Их результаты были опубликованы в журнале ACS Materials Letters.
«Наша текущая стратегия использования полимера бората лития биологического происхождения в качестве водного полиэлектролитного связующего для улучшения переноса заряда внутри электродов, таких как графитовые аноды, демонстрирует способность к быстрой зарядке», — заявляют соответствующие авторы проф. Мацуми и Бадам из JAIST.
В то время как большинство исследований аккумуляторов сосредоточено на разработке активных материалов и улучшенном массопереносе электролитов, текущее исследование предлагает другой подход, заключающийся в разработке специального связующего материала, который способствует внедрению ионов лития в активный материал. «Связующий материал включает легко диссоциирующий борат лития, который улучшает диффузию ионов лития в анодных матрицах. Кроме того, это связующее может образовывать борорганический SEI, который демонстрирует очень низкое межфазное сопротивление по сравнению с обычными аккумуляторными элементами», — объясняет профессор Мацуми.
Роль соединений бора (таких как тетракоординированный бор в связующем и богатый бором SEI) заключается в содействии десольватации ионов Li + за счет снижения энергии активации десольватации Li + из оболочки растворителя в SEI. Кроме того, при высокой диффузии и низком импедансе снижается перенапряжение, связанное с переносом заряда на границе раздела. «Это один из важных определяющих факторов экстремально быстрой зарядки», — объясняет доктор Ануша Прадхан из JAIST, который является первым автором статьи.
Как правило, когда заряд превышает скорость интеркаляции, на графитовых электродах происходит покрытие литием. Это нежелательный процесс, ведущий к сокращению срока службы батареи и ограничению возможности быстрой зарядки. В этом исследовании улучшенная диффузия ионов через SEI и внутри электродов ограничивает концентрационную поляризацию ионов Li + , что приводит к отсутствию покрытия на графите.
В своем исследовании исследователи не только представили новую стратегию для чрезвычайно высокопроизводительных перезаряжаемых батарей и сниженного межфазного сопротивления, но также использовали биополимер, полученный из кофейной кислоты. Органическое соединение растительного происхождения, кофейная кислота, является устойчивым и экологически безопасным источником материала. Таким образом, несмотря на то, что рынок этих батарей стремительно растет, использование в этих батареях биоресурсов также сократит выбросы углекислого газа.
Подчеркивая ключевые свойства структуры, используемой в этом исследовании, профессор Мацуми добавляет: «В будущих исследованиях наше связующее можно также комбинировать с быстро заряжаемыми активными материалами, чтобы обеспечить дополнительный синергетический эффект в повышении производительности».
По мере расширения исследований производительности аккумуляторов вскоре можно будет ожидать более экологичных вариантов использования энергии, особенно в транспортном секторе. «Благодаря технологии высокоскоростных перезаряжаемых аккумуляторов люди будут пользоваться электромобилями и удобными мобильными устройствами. Поскольку использование возобновляемых ресурсов будет поддерживать доступность продуктов в течение [длительного] [времени], независимо от наличия ископаемых ресурсов и … социальные ситуации», — заключает профессор Мацуми.
