Kínai tudósok egy új anyag alkalmazásával javítottak az akkumulátorok töltési idején anélkül, hogy csökkentették volna azok energiatároló képességét vagy élettartamát. Az InterestingEngineering-en ismertetett innováció alkalmazásával növelték az ionmobilitást, amely lehetővé teszi a gyorsabb töltést.
A kutatócsoport niobium-wolfram-oxidot (NbWO) használt a töltési folyamat felgyorsítására. Az új anyag különösen alkalmas lehet olyan alkalmazásokhoz, ahol a lítiumion-akkumulátorokat egy percen belül kell feltölteni. A kutatók megállapították, hogy ennek az anyagnak a gyors töltési képessége egy érdekes, rátától függő rácslazulási folyamatból ered, amely a Jahn-Teller-hatáshoz kapcsolódik.
A kutatók elektronmikroszkópiával feltárták, hogy a Nb16W5O55 kristályokban irányított Li+ transzportmechanizmus zajlik, amely a gyorstöltés szűk keresztmetszetét képezi, megakadályozva a deszolvatált Li+ belépését a domináns felszíneken keresztül.
A kutatócsoport fejlett elektronmikroszkópokat használt, és megállapították, hogy a NbWO kristályszerkezete másként reagál a különböző töltési sebességekre. Kiemelték, hogy lassú töltés során a lítiumionok pontos mintákba rendeződnek, ami szerkezeti torzulásokat okoz. Ezzel szemben magas töltési rátán az ionok egyenletesebben oszlanak el az anyagban.
A kutatócsoport fejlett elektronmikroszkópokat használt. (Fotó: Unsplash)
„Fejlett in situ elektronmikroszkópiát kombináltunk korszerű atomfelbontású képalkotással, amely lehetővé tette az anyagtudományi vizsgálatokat olyan apró méretekben, amelyek eddig tisztázatlanok voltak” – magyázta Yaqing Guo és Yifei Yuan, a Wenzhou Egyetem kutatói a Nanowerknek.
A kutatók azt is felfedték, hogy a vizsgálat eredményei hozzájárulhatnak a lítiumtárolási mechanizmusok megértéséhez a gyors töltésű anyagok esetében, támogatva a fejlett, gyorsan tölthető akkumulátorok fejlesztését. A Nature Communications folyóiratban megjelent tanulmány kutatói szerint a felületmérnöki stratégia segíthet a deszolvatált lítiumionok NbWO felületek körüli átcsoportosításában a tájolt alagutak nyílásaihoz, ahol a Li+ beékelődése kedvezőbb az alacsonyabb energiagátnak köszönhetően. Ez áthidalhatja a gyors töltés akadályait.
A jelentések szerint a kutatók módosított anyaga, amelyet rGO/Nb16W5O55-ként jelöltek, 80C töltési rátán 45 másodperc alatt 116 milliamperóra/gramm kapacitást ért el, ami az elérhető elvi kapacitás 68,5%-a.
A prototípus tesztelése során az új anyaggal készült akkumulátorok 500 gyors töltési ciklus után is megőrizték kezdeti kapacitásuk 77%-át. Az anyag nagy energiasűrűséget mutatott, alacsonyabb teljesítménynél 406 wattóra/kilogrammot, magas teljesítménynél pedig 186 wattóra/kilogrammot tartva fenn. A Nanowerk szerint azonban technikai akadályok felmerülhetnek a kereskedelmi forgalomba hozatal előtt.
„A NbWO gyors töltési képessége elsősorban a rátától függő rácslazulási folyamatnak köszönhető. A NbWO szerkezete különösen érzékeny a töltési sebességre, mivel a lítiumionok magasabb sebességnél véletlenszerűbb pozíciókat foglalnak el, csökkentve a jelentős rácstorzulásokat, és ezzel elősegítve a gyors Li+ beékelődést” – összegzik a tanulmány eredményeit a kutatók.
Kiemelt kép: Unsplash
S.Rita
