Литий-ионные аккумуляторы широко распространены в мире электромобилей. Однако существенной проблемой, возникающей при их использовании, является низкое время автономной работы и медленная зарядка. Недавние исследования показывают, что двумерные (2D) наноматериалы являются сильным кандидатом для повышения их производительности. Недавно совместная исследовательская группа из Японии и Индии продемонстрировала эффективность использования двумерных нанослоев диборида титана в литий-ионных батареях. Их выводы могут иметь далеко идущие последствия в области электромобилей и другой электроники.
По мере развития индустрии электромобилей (EV) растут и усилия по исследованиям и разработке превосходных литий-ионных аккумуляторов для питания этих транспортных средств. Изучение и расширение технологии быстрой зарядки-разрядки и увеличения срока службы батарей являются важнейшими задачами в их разработке. Несколько факторов, таких как диффузия ионов Li, характеристики поверхности раздела электрод-электролит и пористость электрода, могут помочь преодолеть эти проблемы, добиться чрезвычайно быстрой зарядки и сверхдлинного срока службы.
В последние годы двумерные (2D) наноматериалы, представляющие собой тонкие листовые структуры толщиной в несколько нанометров, стали потенциальными анодными материалами для литий-ионных аккумуляторов. Эти нанолистовки обладают высоким соотношением сторон и высокой плотностью активных центров, что обеспечивает быструю зарядку и превосходную производительность при циклировании. В частности, 2D-наноматериалы на основе диборидов переходных металлов (или TMDS) вызвали интерес исследователей. Было обнаружено, что TMD обладают высокой скоростью и длительной циклической стабильностью для хранения ионов лития благодаря их ячеистым плоскостям из атомов бора и многовалентных переходных металлов.
Недавно группа ученых во главе с проф. Нориеси Мацуми из Японского передового института науки и технологий (JAIST) и проф. Кабир Джасуджа из Индийского технологического института (IIT) Гандинагар решил продолжить изучение потенциала TMDS для хранения энергии. Команда провела первое экспериментальное исследование потенциала хранения диборида титана (TiB2) на основе иерархических нанолист (THNS) в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов. В состав команды входили Раджашекар Бадам, бывший старший преподаватель JAIST; Акаш Варма, бывший студент магистратуры JAIST; Коичи Хигашимине, технический специалист JAIST и Аша Лайза Джеймс, аспирант IIT Гандинагар. Их исследование было опубликовано в ACS применила наноматериалы и стал доступен онлайн 19 сентября 2022 года.
THNS были получены путем окисления TiB2 порошок с перекисью водорода с последующим центрифугированием и сублимационной сушкой раствора. "Что отличает нашу работу, так это масштабируемость метода, разработанного для синтеза этих TiB2 нанолистовки. Для того чтобы любой наноматериал воплотился в осязаемую технологию, ограничивающим фактором является масштабируемость. Наш метод синтеза требует только перемешивания и никакого сложного оборудования. Это объясняется поведением при растворении и перекристаллизации, проявляемым TiB2, случайное открытие, которое делает эту работу многообещающим мостом из лаборатории в поле", - объясняет профессор. Кабир.
После этого команда сконструировала анодный литий-ионный полуэлемент, используя THNS в качестве активного анодного материала. Команда изучила характеристики накопления заряда анодов на основе THNS.
Команда обнаружила, что анод на основе THNS показал высокую разрядную способность в 380 мАч / г при плотности тока всего 0,025 А/г. Кроме того, они увидели, что разрядная емкость 174 мАч/ г может быть получена при высокой плотности тока 1 А/ г, со временем зарядки 10 мин и сохранением емкости 89,7% после 1000 циклов. Кроме того, литий-ионный анод на основе THNS может выдерживать очень высокие значения тока, порядка 15-20 А / г, что обеспечивает сверхбыструю зарядку примерно за 9-14 секунд. При высокой скорости тока сохранение емкости более 80% наблюдалось после 10 000 циклов.
Результаты этого исследования указывают на пригодность 2D TiB2 нанолист как кандидат на быструю зарядку и длительный срок службы литий-ионных аккумуляторов. Они также подчеркивают преимущество наномасштабируемых сыпучих материалов, таких как TiB2, для достижения многообещающих свойств, включая псевдоемкое накопление заряда, превосходную высокоскоростную способность и превосходную циклируемость. Объясняя потенциальные долгосрочные последствия своих исследований, проф. Мацуми говорит: "Такая технология быстрой зарядки может ускорить распространение электромобилей и значительно сократить время ожидания зарядки различных мобильных электронных устройств. Мы надеемся, что наши результаты могут стимулировать дальнейшие исследования в этой области, что в конечном итоге может привести к удобству пользователей электромобилей, меньшему загрязнению воздуха в городах и менее напряженной мобильной жизни, чтобы повысить производительность нашего общества ".
Мы надеемся, что скоро увидим, как эта замечательная технология используется в электромобилях и других электронных устройствах.
Комментарии