Cercetătorii încearcă să obțină încărcarea rapidă a bateriilor

Într-un efort de a îmbunătăți bateriile litiu-ion pentru industria auto, cercetătorii lucrează la accelerarea încărcării rapide.

Societatea actuală trece în masă de la combustibilii fosili la resurse regenerabile și baterii electrice. În ciuda urgenței de a trece la metode mai ecologice, provocările de bază legate de eficiență și durabilitate încă reprezintă un obstacol important.

• Galileo Galilei, omul care a schimbat cursul istoriei. „Și totuși, se mișcă!”
• Sonda europeană Mars Express a observat „păianjeni” pe planeta Marte

De exemplu, adoptarea pe piața de masă a bateriilor litiu-ion (Li-ion) pentru utilizarea în vehiculele electrice este împiedicată de vitezele lor lente de încărcare. Accelerarea încărcării rapide până la viteze „extreme” (în care 80% din baterie este încărcată în 10 minute), densitatea mare de energie și durata marea de viață sunt „Sfântul Graal” al caracteristicilor pe care industria auto le caută în baterii.

Accelerarea încărcării rapide va duce la baterii mai bune și mai prietenoase cu mediul

Pentru a permite capacitatea de încărcare rapidă a bateriilor, cercetătorii au încercat de mult timp să îmbunătățească transferul de masă al electroliților și transferul de încărcare în electrozi, fiind efectuate cercetări ample asupra primilor în comparație cu cei din urmă.

Acum, un studiu realizat de o echipă de cercetători condusă de profesorul Noriyoshi Matsumi, de la Institutul Avansat de Știință și Tehnologie din Japonia (JAIST), prezintă o nouă abordare pentru a facilita încărcarea rapidă folosind un material liant care favorizeazî intercalarea de Li-ion a materialului activ.

Materialul liant duce la o difuzie îmbunătățită a ionilor de Li desolvați prin interfața electrolitului solid (SEI) și în materialul anodului și oferă o conductivitate ridicată, impedanță scăzută și stabilitate bună, notează Tech Xplore.

Echipa este formată din fostul lector principal Rajashekar Badam; cercetătoarea postdoctorală Anusha Pradhan; fostul student Ryoya Miyairi; și doctorandul Noriyuki Takamori, de la JAIST. Descoperirile lor au fost publicate în revista ACS Materials Letters.

Ce au realizat cercetătorii?

„Strategia noastră actuală de utilizare a unui polimer de borat de litiu derivat ca liant polielectrolitic apos pentru a îmbunătăți transferul de sarcină în interiorul electrozilor, cum ar fi anozii de grafit, prezintă o capacitate de încărcare rapidă”, declară autorii corespondenți prof. Matsumi și Badam, de la JAIST.

În timp ce majoritatea cercetărilor privind bateriile se concentrează pe proiectarea materialelor active și pe un transfer de masă îmbunătățit al electroliților, studiul actual oferă o abordare diferită prin proiectarea unui material specific de liant care favorizează intercalarea litiu-ion a materialului activ.

„Materialul de liant include borat de litiu extrem de disociabil, care îmbunătățește difuzia de ioni de litiu în matricele anodice. În plus, acest liant poate forma un organobor SEI, care prezintă o rezistență interfacială foarte scăzută în comparație cu celulele obișnuite de baterii”, explică prof. Matsumi.

Rolul compușilor de bor (cum ar fi borul tetracordinat din liant și SEI bogat în bor) este de a ajuta la desolvatarea ionilor Li+ prin scăderea energiei de activare a desolvației Li+ din teaca de solvent la SEI. De asemenea, cu difuzie mare și impedanță scăzută, suprapotențialul legat de transferul de sarcină la interfață este redus.

„Acesta este unul dintre factorii determinanți importanți pentru accelerarea încărcării rapide”, explică dr. Anusha Pradhan, de la JAIST.

Accelerarea încărcării rapide se folosește de un compus bio

În general, atunci când încărcarea depășește rata de intercalare, pe electrozii de grafit are loc placarea cu Li. Este un proces nedorit care duce la reducerea duratei de viață a bateriei și la limitarea capacității de încărcare rapidă. În acest studiu, difuzia îmbunătățită a ionilor de-a lungul SEI și în interiorul electrozilor limitează polarizarea concentrației ionilor Li+ – ducând la absența placării pe grafit.

În studiul lor, cercetătorii nu numai că prezintă o strategie nouă pentru bateriile încărcabile cu rate extrem de ridicate și rezistență interfacială redusă, dar au folosit și un biopolimer derivat din acidul cafeic. Compus organic pe bază de plante, acidul cafeic este o sursă de material durabilă și sigură pentru mediu. Astfel, în timp ce piața acestor baterii crește enorm, utilizarea resurselor bio în aceste baterii va reduce, de asemenea, emisiile de dioxid de carbon.

Evidențiind abilitățile cheie ale structurii utilizate în acest studiu, prof. Matsumi adaugă că „în studiile viitoare, liantul nostru poate fi, de asemenea, combinat cu materiale active cu rată ridicată pentru a permite un efect sinergetic suplimentar în îmbunătățirea performanței”.

Vă recomandăm să citiți și:

Cercetătorii cred că au găsit leacul pentru sughiț

Imprimarea 3D folosind cerneală cu bacterii produce compuși asemănători oaselor

Bandajul biodegradabil inteligent promite o vindecare rapidă

De ce știința nu a reușit nici până astăzi să creeze o inimă artificială?