Исследования скорости заряда аккумуляторов с анодом из неупорядоченной каменной соли
Одним из важнейших факторов, которые влияют на решение о покупке электромобиля, является время, затрачиваемое на зарядку аккумулятора транспортного средства. Обычно полный заряд аккумулятора электромобиля занимает несколько часов или всю ночь в зависимости от способа, технологии и степени разряда. В результате водитель привязан к домашнему зарядному устройству или вынужден прокладывать свой маршрут вдоль общественных зарядных станций при длительных поездках.
Изображение: ORNL / Jill Hemman
При этом много времени на заряд уходит, даже если аккумулятор предназначен для питания небольших гаджетов типа смартфонов и ноутбуков. Главной причиной является то, что конструкция этих устройств сделана так, что литий-ионные аккумуляторы заряжаются с безопасной контролируемой скоростью. Это обязательный момент, поскольку данная мера позволяет предотвращать возгорание или даже взрыв небольших жестких структур, называемых дендритами. Они образуются в литиевом аккумуляторе при быстрой зарядке и могут становиться причиной короткого замыкания.
Чтобы решить проблему быстрой зарядки исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego) совместно со специалистами из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) в США провели эксперименты с новым типом материала для анода. По их мнению, он может использоваться для быстрой и безопасной зарядки литий-ионных аккумуляторов.
Исследователи создали образцы лития-ванадия (Li3V2O5) или «неупорядоченной каменной соли», как они его называют. По своей структуре материал похож на поваренную соль, но с некоторой степенью случайности в расположении атомов. Полученные образцы были помещены под мощной нейтронный пучок. При этом ученые наблюдали активность ионов внутри материала. Результаты они опубликовали в журнале Nature. Статья была названа «Неупорядоченный анод из каменной соли для быстро заряжаемых литий-ионных аккумуляторов».
Как сказал один из авторов исследования Хаодун Лю (Haodong Liu), сегодня используются два распространённых материала для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов. Первый — это графит, обеспечивающий высокую энергетическую плотность. Бывали случай, когда происходили возгорания аккумуляторов с таким анодом. Второй материал ─ это титанат лития, который может быстрее заряжаться, имеет меньшую вероятность возгорания, но обладает малой энергоёмкостью.
Как говорит Хаодун Лю, они применяли в своём исследовании неупорядоченную каменную соль, которая сочетает в себе положительные свойства обоих материалов. Такой анод имеет высокую энергоёмкость, безопасен и быстро заряжается. По мнению ученых, участвовавших в исследовании, материал показал подходящие характеристики для многих видов аккумуляторов. Сюда относятся не только батареи для электромобилей, но также для электроинструментов, бытовой техники и электроники. Они также могут быть использованы в устройствах быстрого накопления и отдачи энергии.
Во время испытаний материал анода из неупорядоченной каменной соли смог за 20 секунд передать более 40% своей энергии ёмкости. Увеличение скорости заряда и разряда здесь возможно благодаря тому, что анод из каменной соли может перемещать на свободные места в своей кристаллической решётки сразу два иона лития. И также он отдает их по два при протекании процесса в обратном направлении.
Хаодун Лю отметил, что использование нейтронографических методов в ORNL позволила им понять поведение ионов при приложении напряжения к материалу. Нейтроны, по его словам, могут легко отслеживать ионы лития и атомы кислорода внутри анода. Необходимый поток нейтронов и разрешение было обеспечено благодаря использованию прибора VULCAN в Spallation Neutron Source (SNS).
Оборудование VULCAN используется для нейтронных исследований деформации, остаточных напряжений, фазовых превращений, текстуры и микроструктуры в конструкционных материалах. Нагрузочные рамы, печи, прочее оборудование, где материал изучается «как есть». Прибор может быть использован для измерений при установившемся или временном разрешении.
Специалист по рассеиванию нейтронов из ORNL Ке Ан (Ke An) говорит, что VULCAN является одним из лучших приборов в мире для рассеивания нейтронов при изучении свойств материалов. Открытая конструкция этого прибора позволяет вести испытания крупных образцов или даже отдельно функционирующих механических устройств. Например, это могут быть двигатели внутреннего сгорания. VULCAN позволил учёным получить важную информацию при исследовании аккумуляторов. Это касается синтеза материалов и их поведения в работающих аккумуляторных батареях.
По результатам проведенного эксперимента исследователям удалось показать, что анод из каменной соли может отработать более 10 тысяч раз с незначительным падением ёмкости. Такой срок службы будет очень полезен для многих устройств, работающих на аккумуляторах. Как говорит Хаодун Лю, проведённые исследования является частью долгосрочного сотрудничества между его исследовательской группой и ORNL. Результатом их сотрудничества уже стало более 20 лицензированных статей в научных журналах. По его словам, сотрудники Управления нейтронных наук ORNL помогли ему и его коллегам узнать о возможностях нейтронов и обучили их использовать инструменты для проведения экспериментов, а также интерпретации полученных данных.
В ходе проведенного эксперимента были также сделаны микроскопические исследования с высоким разрешением для выявления структурных изменений в материале. Они проводились в Калифорнийском университете в Ирвине и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
После завершения этих экспериментов в ORNL были проведены исследования дифракции рентгеновских лучей и поглощения рентгеновских лучей для выявления структурных изменений кристаллов и механизмов компенсации заряда материала. Эти исследования проводились специалистами Аргоннской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
На данные и любую интеллектуальную собственность, полученные в ходе экспериментов, сохранил за собой Калифорнийский университет в Сан-Диего. Для коммерциализации своих разработок университет в дальнейшем сформировал компанию под названием Tyfast. Эта фирма будет первую очередь разрабатывать продукты с ориентацией на рынки электроинструментов и электрических транспортных средств.
Проведённые исследования по рассеянию нейтронов поддержало Управление науки Министерства энергетики США. SNS представляет собой объект управления науки Министерства энергетики. ORNL находится под управлением UT-Battelle LLC, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в США. Управление науки Министерства энергетики США занимается решением ряда наиболее насущных проблем современности.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
