Испытаны электроды для батарей с зарядкой за несколько секунд

Очень быстрая зарядка и высокая удельная мощность — конёк конденсаторов. Но они вмещают мало энергии. Батареи, напротив, обладают отличной ёмкостью, но не позволяют быстро себя «заправить». Совместить темп заряда, как у конденсаторов, с ёмкостью аккумуляторов удалось американским физикам.

На поперечном сечении нового электрода хорошо видна регулярная сотовая структура (фото Huigang Zhang, Xindi Yu, Paul V. Braun/ Nature Nanotechnology).

Исследователи из университета Иллинойса (UIUC) разработали трёхмерный катод с наноструктурой, позволяющий химическим батареям принимать и отдавать энергию с колоссальной скоростью.

Как рассказывает Green Car Congress, на основе этого катода исследователи построили опытные устройства с литиево-ионной и никель-металлогидридной химией, которым удалось «скармливать» ток величиной до 400C и 1000C соответственно. Напомним, 1C — это зарядный ток, численно равный ёмкости батареи в ампер-часах, он примерно соответствует времени заправки в один час. (Таким образом, при токе 1000C на заправку нужно в тысячу раз меньше времени.)

Профессор Пол Браун (Paul Braun, в центре) возглавлял группу создателей чудо-электрода, в которую также вошли Синьди Юй (Xindi Yu, слева) и Хуэйган Чжан (Huigang Zhang) (фото L. Brian Stauffer).

Достигнутый показатель на один-два порядка превосходит темп заряда, который могут позволить себе батареи с похожими по составу, но цельными электродами. В своей статье в Nature Nanotechnology авторы эксперимента сообщают, что на базе такого катода можно сконструировать, к примеру, литиевые батареи, способные заряжаться на 90% за 2 минуты.

Столь быстрая зарядка и быстрая отдача энергии (высокая выходная мощность) позволит создать импульсные лазеры и дефибрилляторы, которым не требуется передышка на накопление энергии для очередного «выстрела». А электромобили смогут отправляться в дальние поездки: даже если запаса электричества в аккумуляторах не хватит на всю дорогу, зарядка на ближайшей станции займёт не больше пяти минут. Кроме того, учёные прогнозируют появление мобильников, способных заряжаться за секунды.

Схема батареи с трёхмерным высокопористым катодом и пути зарядов в нём. Ниже: схема производства электрода. Серым показаны временные микросферы, зелёным — металл, жёлтым — активная масса. Справа: электрод на разных стадиях формирования, снимки с электронного микроскопа (иллюстрации Huigang Zhang, Xindi Yu, Paul V. Braun/ Nature Nanotechnology).

Необычный электрод исследователи изготовили следующим образом (смотрите рисунок выше). На поверхности была выложена решётка из крошечных сфер, упакованных вплотную друг к другу. Пространство между сферами учёные заполнили металлом. Далее сферы были растворены.

Новый катод при большом увеличении. Здесь он заполнен литированным диоксидом марганца (фото Huigang Zhang, Xindi Yu, Paul V. Braun/ Nature Nanotechnology).

Так получились пористые трёхмерные металлические леса. При помощи электролитической полировки часть металла была удалена, а поры увеличены в размерах.

После этого электрод заполнили активным веществом. Оно образовало на поверхности пор тонкую плёнку, в которой обеспечивалась высокая подвижность ионов, в то время как металл служил для скоростного транспорта электронов. (Подробности также можно найти в пресс-релизе университета.)

Создатели «бинепрерывного трёхмерного электрода» особо отмечают, что он пригоден для батарей с любой химией. Это необязательно будут литиевые или никелевые аккумуляторы. Как только учёные придумают в этой области что-то перспективное, высокопористый металлический катод можно попробовать приспособить и для этой новинки.