Південнокорейські вчені розробили нову технологію для акумуляторів, яка дозволяє значно прискорити заряджання та підвищити довговічність батарей. Розробка може стати важливим кроком у створенні електромобілів із великим запасом ходу та мінімальним часом заряджання.
Дослідники Корейського передового інституту науки і технологій (KAIST) представили інноваційний сепаратор із рідкокристалічного полімеру. Під час випробувань літій-металевий акумулятор із таким компонентом зберіг 94% початкової ємності після 100 циклів заряджання та розряджання за швидкості 4C. Такий режим теоретично дозволяє повністю зарядити батарею лише за 15 хвилин.
Крім того, новий сепаратор приблизно у 2,5 раза зменшив звивистість шляхів транспортування іонів літію, завдяки чому вони можуть рухатися швидше та рівномірніше. Це не лише підвищує швидкість заряджання, а й допомагає запобігати утворенню небезпечних структур усередині акумулятора.
Додайте GSMinfo до джерел у Google News Щоб бачити наші публікації у своїй стрічці новинВчені створили своєрідну магістраль для іонів літію
Дослідження проводила команда під керівництвом професорів кафедри хімії KAIST Донг Кі Юна та Хе Рьон Бьон. Науковці пояснюють, що літій-металеві батареї здатні накопичувати більше енергії, ніж традиційні акумулятори. Однак їхньому широкому використанню заважає проблема утворення дендритів під час заряджання.
Дендрити — це мікроскопічні голкоподібні металеві кристали, які виростають на поверхні анода. З часом вони можуть пошкодити сепаратор, що розділяє електроди, спричинити коротке замикання та підвищити ризик загоряння. Саме тому контроль руху іонів літію є одним із ключових завдань у розробці акумуляторів нового покоління.
Щоб розв’язати цю проблему, корейські дослідники створили пористий сепаратор із рідкокристалічних полімерів. Такі матеріали мають упорядковану структуру, характерну для твердих тіл, але водночас зберігають деякі властивості рідин. До складу нового матеріалу вчені також додали ланцюги поліетиленгліколю (PEG), які полегшують переміщення іонів літію.
Після цього команда перевірила, як орієнтація молекул впливає на швидкість руху іонів. Для експерименту дослідники створили два варіанти сепаратора — з вертикальним і горизонтальним розташуванням рідкокристалічних структур.
Виявилося, що вертикальна орієнтація формує пряміші канали, якими іони літію можуть переміщуватися до електродів. Порівняно з горизонтальним розташуванням молекул звивистість цих шляхів зменшилася приблизно у 2,5 раза. Завдяки цьому іони рухалися швидше та рівномірніше, а утворення небезпечних дендритів пригнічувалося.
Заряджання за 15 хвилин і перспективи для електромобілів
Після лабораторних досліджень науковці випробували новий сепаратор у робочому літій-металевому акумуляторі. Результати виявилися багатообіцяльними: після 100 циклів заряджання та розряджання за швидкості 4C батарея зберегла 94% початкової ємності.
Показник 4C означає, що за ідеальних умов акумулятор може повністю зарядитися приблизно за 15 хвилин. Водночас результати отримані в експериментальній комірці, тому поки що не йдеться про готову автомобільну батарею, яку можна встановити в серійний електромобіль.
За словами дослідників, правильне розташування молекул у сепараторі може одночасно забезпечити швидше заряджання, триваліший термін служби акумуляторів і підвищення безпеки їхньої експлуатації. Особливу увагу науковці приділяють можливості застосування цієї технології в батареях із високою щільністю енергії.
Професор Донг Кі Юн наголосив, що орієнтація молекул відіграє важливу роль у характеристиках акумуляторів. На його думку, запропонований підхід може сприяти створенню нового покоління батарей, для яких критично важливими є великий запас ходу та швидке заряджання.
У перспективі технологія може допомогти виробникам електромобілів створювати батареї, які накопичуватимуть більше енергії та потребуватимуть значно менше часу для заряджання. Однак перед комерційним застосуванням дослідникам ще потрібно перевірити ефективність нового сепаратора у великих акумуляторних елементах і повноцінних батарейних блоках.
