Новый литиевый аккумулятор заряжается в 100 раз быстрее обычного
Мобильные телефоны, заправляющиеся с нуля и до «краёв» всего за 10-20 секунд, и электромобили, проделывающие то же за 5 минут, могут стать реальностью, если получит развитие открытие Гербранда Седера (Gerbrand Ceder) и его коллег из Массачусетского технологического института (MIT).
Литиево-железофосфатные батареи (Lithium iron phosphate battery, мы рассказывали о таких аккумуляторах тут и тут) всё больше и больше находят применение в первую очередь в электромобилях и гибридах. Их преимущество – пожарная безопасность и более низкая цена, чем у литиевых батарей других подвидов.
Недостаток — несколько меньший запас энергии на кило веса, чем в батареях с применением оксида кобальта (такие господствуют в портативной электронике — ноутбуках и телефонах), и не самый рекордный темп зарядки.
Последнее для автомобиля тоже небезразлично (как и вес): представьте себе электрокар, дальность хода которого равна таковому запасу у обычного бензинового авто, но который заряжать надо 3-8 часов. Не очень удобно.
Седер нашёл способ повысить темп зарядки такого типа аккумуляторов в 100 раз. А пришёл он к нему так.
Новый материал для катода (тёмная часть), покрытый стекловидным проводником ионов (светлая область), при сильном увеличении (фото Ceder Lab).
Катод литиево-железофосфатной батареи содержит сонм наночастиц LiFePO4 — это материал, обеспечивающий ячейкам их высокую безопасность. Ключевой же проблемой быстрой зарядки (и симметричного процесса — отдачи батареи, то есть её выходной мощности) является транспорт ионов лития, которые выпускаются или поглощаются катодом.
Ранее учёные предполагали, что загвоздка в медленном движении ионов внутри частиц катода. Но компьютерное моделирование, проведённое Гербрандом, показало, что скорость движения ионов внутри LiFePO4 — высока.
А загвоздка в другом — ионы не сразу находят «входы в туннели» (или ионные каналы), ведущие внутрь фосфатных наночастиц. Иными словами, мы имеем город с большим числом улиц, но вокруг него нет кольцевой автодороги, которая помогала бы подъезжающим извне машинам быстро их заполнять со всех сторон.
Теперь же такая «автотрасса» построена. Оказалось, что темп транспорта ионов можно поднять едва ли не на два порядка, если покрыть каждую частицу LiFePO4 тонким слоем стекловидного материала из фосфата лития.
Литиево-железофосфатный электрод под микроскопом демонстрирует гранулированную структуру (фото Byoungwoo Kang, Gerbrand Ceder).
Построив небольшую батарейку по такому принципу, специалисты MIT увидели, что она может полностью зарядиться или отдать весь свой заряд всего за 9 секунд, что в 30 с лишним раз быстрее, чем у лучших железофосфатных батарей без покрытия (той же ёмкости, конечно), и в 100 раз быстрее, чем у массовых литиевых аккумуляторов.
Авторы новации утверждают, что литиево-железофосфатные аккумуляторы, выполненные по новой технологии, могут достичь удельной мощности в 25 киловатт на литр, что окажется особенно ценным именно в области транспорта. Ну и при наличии зарядных станций, выдающих большой ток, становится реальной заправка электрического авто за время, необходимое, чтобы обычной машине залить полный бак бензина.
Дальнейшая судьба изобретения выглядит довольно светлой: Гербранд и соавторы исследования уже выдали лицензию на эту технологию двум компаниям, намеренным заняться её коммерциализацией. (Детали открытия — в статье в Nature, а также в новости от этого же издания и пресс-релизе MIT).
Заметим, учёные и инженеры не один год работают над повышением скорости зарядки литиевых аккумуляторов самого разного «калибра» — от крохотных, для портативной электроники, до автомобильных тяговых батарей. И мы уже видели многообещающие примеры: японские мини-батарейку, заправляющуюся на 80% за 60 секунд, и прототип электромобиля, заряжаемого за 15 минут.
Но всё это должно быть ещё и недорогим и массовым. У железофосфатной технологии есть все шансы стать таковой. Собственно самый масштабный всемирный «электромобилепроект» — Better Place — использует именно этот тип батарей (последние новости о проекте вы можете прочесть тут и вот здесь, детали технологии узнать из этого материала, а о его старте прочитать тут)
Прорывом с совсем другой стороны могли бы оказаться экзотические батареи EESU, обещающие превзойти все ныне существующие серийные аккумуляторы (даже литиевые) по удельной ёмкости вкупе с зарядкой в несколько минут. Вот только технология эта уж не один год никак не выберется из стадии «доводим и готовим к массовому выпуску».
Как правильно заряжать смартфон или чего боится аккумулятор
