Учёные получили перспективный анодный материал для Li-Ion аккумуляторов

Новый перспективный анодный материал из полимеров способен обеспечить высокую скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов. Как сообщается, он был получен с использованием экологически безопасного, недорогого и эффективного подхода. Технология включает в себя прокаливание полимера на биологической основе. Тестовый образец сохранил большую часть первоначальной ёмкости в течение тысячи циклов заряда и разряда.

Изображение: JAIST

Одним из способов сокращения времени зарядки Li-Ion аккумуляторов является повышение скорости диффузии ионов лития. Этого можно добиться за счёт увеличения их скорости диффузии. А это достигается за счёт увеличения межслоевого расстояния в материалах на основе углерода, которые применяются в аноде. На данный момент нет простого способа контроля межслоевого расстояния. Учёные добиваются этого с помощью введения примесей азота, но пока не удалось разработать способы контроля концентрации этого легирующего компонента.

Исследовательская группа из Японского передового института науки и технологий (JAIST) предложила свой подход по изготовлению анодов, который может обеспечить быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов. В команду учёных, возглавляемую профессором Нориёси Мацуми (Noriyoshi Matsumi), вошли профессор Тацуо Канеко (Tatsuo Kaneko), Раджашекар Бадам (Rajashekar Badam), Коичи Хигашимине (Koichi Higashimine), Юэин Пэна (Yueying Peng) и Коттисы Сумала Патнаик (Kottisa Sumala Patnaik). Результаты своего исследования они опубликовали здесь.

Исследователи использовали простой и высокоэффективный способ производства анода из углерода с высоким содержанием азота. Они использовали полимер на биологической основе, который можно синтезировать из сырья биологического происхождения. Они прокалили термостойкий материал при 800 C и получили угольный анод с рекордным содержанием азота — 17% (вес.). Учёные подтвердили успешный синтез данного материала, а также изучили его состав и структурные свойства. Для этого применялись такие методы, как рамановская спектроскопия, сканирующая электронная туннельная микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

Чтобы проверить характеристики полученного анода и сравнить его с распространённым сейчас образцом из анода, исследователи создали полуэлементы и полные элементы. С ними они проводили тесты по заряду и разряду. Благодаря улучшенной литий-ионной кинетике новый анодный материал оказался подходящим для быстрой зарядки. Испытания на долговечность показали, что образцы с новым анодным материалом сохраняют примерно 90% своей первоначальной ёмкости после 3 тысяч циклов заряд-разряд с высокой скоростью. Это значительно выше, чем остаточная ёмкость для аккумуляторов со стандартным анодом из графита.

Профессор Мацуми выразил удовлетворение полученными результатами и сказал, что высокая скорость заряда аккумулятора с подготовленным анодным материалом делает его пригодным для использования в электромобилях. Он отметил ещё один плюс нового анодного материала, который им удалось создать. Он заключается в синтезе полимера на биологической основе. Мацуми сказал, что это позволит ещё больше снизить выбросы CO₂ при использовании таких аккумуляторов на электромобилях.

Исследователи добавляют, что модификация структуры используемого полимера может обеспечить ещё более высокие характеристики заряда. Новая разработка может быть интересна не только производителям аккумуляторов для электромобилей, но также источников питания для портативной электроники. Разработка долговечных Li-Ion аккумуляторов с новым анодным материалом позволит уменьшить глобальную добычу редких металлов, которые в них используются. Многие из них считаются невозобновляемыми ресурсами.