Литий-ионный аккумулятор заряжается и разряжается, когда ионы лития перемещаются между двумя электродами, называемыми анодом и катодом. В традиционной литий-ионной батарее анод изготовлен из графита, а катод – из оксида лития-кобальта.
Эти материалы хорошо работают вместе, поэтому литий-ионные батареи становятся все более популярными, но исследователи из Rensselaer считают, что их функция может быть еще больше улучшена.
«Способ сделать батареи лучше – это улучшить материалы, из которых изготовлены электроды», – сказал Нихил Кораткар, профессор механической, аэрокосмической и ядерной инженерии в Rensselaer и автор статьи. «Мы пытаемся сделать литий-ионную технологию еще лучше с точки зрения производительности."
Обширные исследования Кораткара в области нанотехнологий и накопления энергии сделали его одним из самых цитируемых исследователей в мире. В этой последней работе Кораткар и его команда улучшили производительность, заменив оксид кобальта дисульфидом ванадия (VS2).
"Это дает вам более высокую плотность энергии, потому что это легкий. И это дает вам возможность более быстрой зарядки, потому что он обладает высокой проводимостью. С этой точки зрения нас привлек этот материал », – сказал Кораткар, который также является профессором кафедры материаловедения и инженерии.
Волнение вокруг потенциала VS2 росло в последние годы, но до сих пор, по словам Кораткара, исследователи сталкивались с проблемой его нестабильности – характеристики, которая приводила к короткому сроку службы батареи.
Исследователи Ренсселера не только установили причину возникновения этой нестабильности, но и разработали способ борьбы с ней.
Команда, в которую также входили Винсент Менье, глава отдела физики, прикладной физики и астрономии, и другие, определили, что введение лития вызывает асимметрию в промежутках между атомами ванадия, известную как искажение Пайерлса, которое и было ответственно за распад хлопьев VS2. Они обнаружили, что нанесение на хлопья нанослойного покрытия из дисульфида титана (TiS2) – материала, который не деформируется по Пайерлсу – стабилизирует чешуйки VS2 и улучшит их характеристики внутри батареи.
"Это было ново. Люди не поняли, что это была первопричина ", – сказал Кораткар. «Покрытие TiS2 действует как буферный слой. Он скрепляет материал VS2, обеспечивая механическую поддержку."
Как только эта проблема была решена, команда обнаружила, что электроды VS2-TiS2 могут работать с высокой удельной емкостью или накапливать большой заряд на единицу массы.
Кораткар сказал, что небольшие размеры и вес ванадия и серы позволяют им обеспечивать высокую производительность и удельную энергию. Их небольшой размер также способствовал бы компактной батарее.
По словам Кораткара, когда зарядка проводилась быстрее, емкость не упала так сильно, как это часто бывает с другими электродами.
Электроды смогли сохранить разумную емкость, потому что, в отличие от оксида кобальта, материал VS2-TiS2 является электропроводным.
Кораткар видит множество применений этого открытия в улучшении автомобильных аккумуляторов, мощности для портативной электроники и накопления солнечной энергии, где важна высокая емкость, но повышенная скорость зарядки также была бы привлекательной.