Материал с изменяющейся структурой сделал литиевые батареи практически совершенными
Материал фактически принимает оптимальную конфигурацию атомов в процессе самого процесса зарядки, обеспечивая более плавный перенос ионов лития.
Работа была проведена исследователями из Университета штата 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. Команда стремилась устранить это препятствие на пути к более быстрой зарядке с помощью соединения, называемого пятиокисью ниобия.
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 батарейке-таблетке пятиокись ниобия с самого начала имела беспорядочное расположение атомов. Но ученые обнаружили, что когда ячейку 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 мАч г-1 при 200 мА г-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.