Ускоренная светом быстрая зарядка литий-ионных батарей

Как правило, литий-ионные аккумуляторы должны заряжаться медленно, чтобы восстановить полную емкость (накопленную энергию) аккумулятора, а также продлить срок его службы

Из-за исключительно высокой плотности энергии литий-ионные аккумуляторы имеют центральное значение во многих современных электрических энергосистемах. Однако серьезным ограничением остается все еще низкая скорость зарядки до полной емкости.

До сих пор не было способов увеличить скорость зарядки без ущерба для плотности энергии и электрохимических характеристик. Оказывается, скорость зарядки катода может быть значительно увеличена за счет взаимодействия с белым светом. Было обнаружено, что простое воздействие на катод лучом концентрированного света, например, белого света от ксеноновой лампы, сокращает время зарядки батареи в два и более раз.

Это обеспечивается за счет индуцирования микросекундного долгоживущего состояния с разделенным зарядом, состоящего из Mn⁴⁺(дыра) плюс электрон. Это приводит к образованию более окисленных металлических центров, а выбрасываемые ионы лития создаются под действием света и смещения напряжения. Ожидается, что это открытие может проложить путь к разработке новых технологий быстрой зарядки аккумуляторов.

Как правило, литий-ионные аккумуляторы должны заряжаться медленно, чтобы восстановить полную емкость (накопленную энергию) аккумулятора, а также продлить срок его службы. В зависимости от физико-химических свойств композитных электродов, быстрая зарядка постоянным током в принципе возможна, когда используются физические морфологии активных частиц или низкие нагрузки электродов наноструктурных материалов.

Однако эти подходы приводят к ограниченным объемным плотностям энергии (количеству запасенной энергии на объем материала) внутри аккумуляторного блока. Поэтому требуется новая парадигма для аккумуляторных технологий, чтобы преодолеть эти препятствия, которая приведет к увеличению срока службы аккумуляторов при необходимости в быстрой зарядке, особенно для электромобилей, работающих только на аккумуляторах, и портативной электроники.

Владельцы электромобилей беспокоятся о дальности пробега, поскольку уровень заряда с каждым километром становится все ниже, когда местоположение ближайшей зарядной станции еще далеко. Быстрая зарядка остается критической проблемой, если такие автомобили когда-либо захватят большой сегмент рынка транспортных услуг. Зарядка полностью разряженного электромобиля обычно занимает около восьми часов.

В настоящее время предполагается использование специальных станций подзарядки, которые обеспечат сверхбыструю зарядку электромобилей гораздо более высоким током. Однако пропуск слишком большого тока за слишком короткое время ухудшает характеристики батареи.

Как правило, литий-ионные аккумуляторы для транспортных средств заряжаются медленно для получения полной электрохимической реакции. Эта реакция включает удаление лития из оксидного катода и вставку его в графитовый анод.

Обычные литий-ионные аккумуляторы помещены в футляр, куда не проникает свет. Чтобы изучить процесс зарядки, исследовательская группа сделала небольшие литий-ионные элементы («монеты») с прозрачными кварцевыми окнами. Затем они испытывали эти элементы, с белым светом, проникающим через окно на катод, и без него.

Ключом стало взаимодействие полупроводника LiMn₂O₄, который широко используется в качестве катода для накопления энергии, со светом. Поглощая фотоны во время зарядки, элемент марганец изменяет свое состояние заряда с трехвалентного на четырехвалентное (Mn³⁺ на Mn⁴⁺). В ответ ионы лития выпускаются быстрее, чем это происходило бы без процесса фотонного возбуждения.

Это условие ускоряет реакцию батареи, которая приводит к более быстрой зарядке без ухудшения характеристик батареи или срока ее службы.

Источник: https://doi.org/10.1038/s41467-019-12863-6