Нет необходимости заново изобретать аккумулятор, чтобы улучшить его характеристики. Как говорит Клэр Виллевьей, руководитель группы исследования материалов для батарей в Институте Поля Шеррера PSI: «В контексте этой конкурентной области большинство исследователей концентрируются на разработке новых материалов».
В сотрудничестве с коллегами из ETH в Цюрихе Виллевьей и со-исследователь Жюльет Бийо использовали другой подход: «Мы проверили существующие компоненты, чтобы полностью использовать их потенциал». Просто оптимизировав графитовый анод — или отрицательный электрод — на обычной литий-ионной батарее, исследователи смогли повысить производительность батареи. «В лабораторных условиях мы смогли увеличить емкость накопителя в 3 раза. Из-за своей сложной конструкции коммерческие батареи не смогут полностью воспроизвести эти результаты. Но производительность определенно будет улучшена, возможно, на столько же 30-50 процентов: дальнейшие эксперименты должны дать более точные прогнозы ».
Исследователи отмечают, что с точки зрения промышленного внедрения улучшение существующих компонентов имеет большое преимущество, поскольку требует меньших затрат на разработку, чем новая конструкция батареи с использованием новых материалов. Как говорит Виллевьей: «У нас уже есть все, что нам нужно. Если бы производитель захотел заняться производством, улучшенные батареи могли бы быть готовы к выпуску на рынок в течение одного или двух лет».
Процедура проста, экономична и масштабируема для использования на аккумуляторных батареях во всех областях применения, от наручных часов до смартфона, от ноутбука до автомобиля. И у него есть дополнительный бонус, заключающийся в возможности переноса на другие анодно-катодные батареи, например, на натриевые.Укладка хлопьев
В этом случае ключом к успеху было изменение способа работы анодов. Аноды изготовлены из графита, то есть углерода, расположенных в виде крошечных, плотно упакованных хлопьев, сравнимых по внешнему виду с темно-серыми кукурузными хлопьями, случайно сжатыми, как в батончике мюсли. Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития проходят от катода или положительного металлооксидного электрода через жидкий электролит к аноду, где они хранятся в графитовой пластине. Когда батарея используется и, таким образом, разряжается, ионы лития проходят обратно на катод, но вынуждены совершать множество обходных путей через плотно упакованную массу чешуек графита, что снижает производительность батареи.
Этих обходов в значительной степени можно избежать, если чешуйки расположены вертикально во время процесса изготовления анода, так что они собираются параллельно друг другу, указывая от плоскости электрода в направлении катода. Это согласование, адаптированное к методу, уже используемому в производстве синтетических композиционных материалов, было достигнуто Андре Студартом и группой экспертов-исследователей в области наноструктурирования материалов в ETH Zurich. Метод включает покрытие чешуек графита наночастицами оксида железа, чувствительными к магнитному полю, и их суспендирование в этаноле. Подвешенные и уже намагниченные хлопья впоследствии подвергаются воздействию магнитного поля в 100 миллитесла, что примерно равно силе магнита на холодильник.
Андре Стударт объясняет, что «вращая магнит во время этого процесса, пластинки не только выравниваются по вертикали, но и параллельно друг другу, как книги на полке. В результате они идеально упорядочены, уменьшая расстояния диффузии, покрываемые литием. ионы до минимума ».
Более короткие пути для ионовМикроскопические изображения показывают, что если магнит остается включенным во время последующего процесса сушки, тромбоциты сохраняют свою новую ориентацию даже после удаления из суспензии этанола. Вместо прежнего беспорядочного расположения хлопья в прессованном графитовом стержне теперь расположены параллельно, что позволяет ионам лития течь намного легче и быстрее, а также увеличивает емкость накопления, позволяя стыковаться большему количеству ионов во время процесса зарядки. Клэр Виллевьей подчеркивает, что «химический состав батарей остается прежним».
Оставшиеся наночастицы оксида железа незначительны по количеству и не влияют на работу батареи. «Все, что мы сделали, это оптимизировали анодную структуру».