Электрод батареи трансформируется во время использования для более быстрой зарядки

Ученые продемонстрировали новый электродный материал, который может значительно ускорить зарядку литиевых аккумуляторов и который формируется довольно необычным образом. Материал фактически принимает оптимальную конфигурацию атомов в процессе самого процесса зарядки, при этом принимая форму нового материала, который обеспечивает более плавный перенос ионов лития.

Работа была проведена исследователями из Университета Бойсе и Калифорнийского университета в Сан-Диего, которые решили устранить ахиллесову пяту современных конструкций литиевых батарей.

Когда эти устройства работают циклически, ионы лития перемещаются от положительного электрода, называемого катодом, к отрицательному электроду, аноду, но могут делать это только до определенной скорости.

При более высоких скоростях зарядки металлический литий накапливается на поверхности графитового анода, что снижает производительность батареи и может привести к ее короткому замыканию, перегреву или даже возгоранию.

Исследователи стремились устранить это препятствие на пути к более быстрой зарядке с помощью соединения, называемого пятиокисью ниобия (Nb₂O₅) .

Атомы в пятиокиси ниобия могут быть легко объединены во множество стабильных конфигураций, и ученые нашли довольно удобный способ сделать это.

Используемый в качестве анода в батарее пятиокись ниобия с самого начала имела беспорядочное, хаотичное расположение атомов. Но ученые обнаружили, что когда батарею заряжали и разряжали несколько раз, эти атомы выстраивались в упорядоченную кристаллическую структуру.

Такую наноструктуру ученые еще не видели. Описанный как кубический каркас из каменной соли, он обеспечивает более легкий перенос ионов лития к аноду при зарядке батареи.

Это привело к «превосходной» циклической стабильности при высоких скоростях зарядки, при этом батарея показала емкость  225 mAh g⁻¹ при 200 mA g⁻¹ в течение 400 циклов с кулоновской эффективностью 99,93%.

Ученые надеются адаптировать этот подход для разработки других инновационных материалов для аккумуляторов и даже материалов для совершенно разных областей, таких как полупроводники.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.