Nový materiál lithium-iontové baterie umožní rychlé nabíjení
Výzkumníci z Národní laboratoře Oak Ridge na ministerstvu energetiky a University of Tennessee v Knoxville objevili klíčový materiál potřebný pro rychlonabíjecí lithium-iontové baterie. Komerčně relevantní přístup otevírá potenciální cestu ke zlepšení rychlosti nabíjení pro elektromobily.
Lithium-iontové baterie neboli LIB, hrají zásadní roli v národním portfoliu technologií čisté energie. Většina hybridních elektrických a plně elektrických vozidel používá LIB. Tyto dobíjecí baterie nabízejí výhody ve spolehlivosti a účinnosti, protože dokážou uložit více energie, nabíjet rychleji a vydrží déle než tradiční olověné baterie. Technologie se však stále vyvíjí a ke splnění priorit pro zlepšení ceny, dojezdu a doby nabíjení baterií elektrických vozidel je zapotřebí zásadního pokroku.
"Překonání těchto výzev bude vyžadovat pokroky v materiálech, které jsou účinnější a syntetické metody, které jsou škálovatelné pro průmysl," řekl ORNL Corporate Fellow a odpovídající autor Sheng Dai.
Výsledky publikované v Advanced Energy Materials demonstrují nový materiál anody pro rychlé nabíjení baterie dosažený použitím škálovatelné metody syntézy. Tým objevil novou sloučeninu molybden-wolfram-niobát, nebo MWNO, s rychlou dobíjecí schopností a vysokou účinností, která by mohla potenciálně nahradit grafit v komerčních bateriích.
Po desetiletí byl grafit nejlepším materiálem používaným k výrobě anod LIB. V základní konstrukci baterie jsou dvě pevné elektrody – kladná anoda a záporná katoda – spojeny roztokem elektrolytu a separátorem. V LIB se ionty lithia pohybují tam a zpět mezi katodou a anodou a ukládají a uvolňují energii, která pohání zařízení. Jednou výzvou pro grafitové anody je to, že se elektrolyt během procesu nabíjení rozkládá a tvoří na povrchu anody usazeniny. Toto nahromadění zpomaluje pohyb lithiových iontů a může omezit stabilitu a výkon baterie.
"Kvůli tomuto pomalému lithium-iontovému pohybu jsou grafitové anody považovány za překážku extrémně rychlého nabíjení. Hledáme nové levné materiály, které dokážou překonat grafit," řekl postdoktorandský výzkumník ORNL a první autor Runming Tao. Extrémní cíl rychlého nabíjení pro elektrická vozidla je stanoven na 15 minut nebo méně, aby mohl konkurovat době doplňování paliva u vozidel na plyn, což je milník, který nebyl splněn s grafitem.
"Náš přístup se zaměřuje na negrafitové materiály, ale i ty mají svá omezení. Některé z nejslibnějších materiálů - oxidy na bázi niobu - mají složité syntetické metody, které nejsou příliš vhodné pro průmysl," řekl Tao.
Konvenční syntéza oxidů niobu, jako je MWNO, je energeticky náročný proces nad otevřeným plamenem, který také vytváří toxický odpad. Praktická alternativa by mohla přimět materiály MWNO, aby se staly vážnými kandidáty na pokročilé baterie. Výzkumníci se obrátili na dobře zavedený proces sol-gel, známý pro bezpečnost a jednoduchost. Na rozdíl od konvenční vysokoteplotní syntézy je proces sol-gel nízkoteplotní chemická metoda pro přeměnu kapalného roztoku na pevný nebo gelový materiál a běžně se používá k výrobě skel a keramiky.
Tým přeměnil směs iontové kapaliny a kovových solí na porézní gel, který byl zpracován teplem, aby se zlepšily konečné vlastnosti materiálu. Nízkoenergetická strategie také umožňuje získat a recyklovat iontové kapalné rozpouštědlo používané pro MWNO.
"Tento materiál pracuje při vyšším napětí než grafit a není náchylný k vytváření toho, čemu se říká ‚pasivační vrstva pevného elektrolytu‘, která zpomaluje pohyb lithium-iontů během nabíjení. Jeho výjimečná kapacita a rychlost nabíjení v kombinaci se škálovatelnou metoda syntézy z ní činí atraktivního kandidáta na budoucí materiály baterií,“ řekl Tao.
Klíčem k úspěchu materiálu je nanoporézní struktura, která poskytuje zvýšenou elektrickou vodivost. Výsledek nabízí menší odpor vůči pohybu iontů lithia a elektronů, což umožňuje rychlé dobíjení.
"Studie dosahuje škálovatelné metody syntézy pro konkurenceschopný materiál MWNO a poskytuje základní poznatky o budoucím návrhu materiálů elektrod pro různá zařízení pro ukládání energie," řekl Dai.
