Zespół naukowców z University of Science and Technology of China wykorzystał anodę z czarnego fosforu domieszkowaną siarką połączoną z katodą z tlenku litowo-kobaltowego do naładowania 80 proc. akumulatora o pojemności 302 Wh/kg w 9 minut. Metoda ładowania nie wpłynęła na stabilność ogniwa, która pozostała stała po ponad 300 cyklach ładowania i rozładowania.
Czytaj też: Akumulatory ze stałym elektrolitem to nie melodia przyszłości, a rzeczywistość
Naukowcy opisali nowe podejście jako “strategię zmiany paradygmatu”, wykorzystujące proces znany jako elektrokataliza, aby radykalnie poprawić prędkość ładowania. Szczegóły opisano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society.
Czym jest elektrokataliza?
Elektrokataliza to proces, w którym reakcje chemiczne są przyspieszane za pomocą katalizatora w obecności prądu elektrycznego. W elektrokatalizie katalizator obniża energię aktywacji reakcji elektrochemicznych, takich jak utlenianie i redukcja, co prowadzi do efektywniejszego przebiegu reakcji. Jest kluczowa w wielu technologiach energetycznych, takich jak ogniwa paliwowe, elektroliza wody (produkcja wodoru), oraz baterie.
Czytaj też: Szwajcarskie odkrycie: akumulator z niobem wytrzyma ponad 10 000 cykli ładowania
Materiały anodowe, takie jak krzem i fosfor, są często stosowane w akumulatorach litowo-jonowych ze względu na ich wyższą pojemność właściwą w porównaniu z tradycyjnymi anodami grafitowymi. Jednak powolny ruch jonów litu w tych materiałach ogranicza szybkość ładowania baterii litowo-jonowych.
Chiński zespół zastosował domieszkowanie heteroatomami – proces, w którym obce atomy (tzw. heteroatomy) są celowo wprowadzane do struktury materiału w celu modyfikacji jego właściwości. W kontekście materiałów akumulatorowych, zazwyczaj wiąże się to z zastąpieniem niektórych atomów w materiale (takich jak węgiel) innymi atomami (np. azotem, siarką czy fosforem).
Domieszkowanie zmienia właściwości elektryczne, chemiczne lub strukturalne materiału, często poprawiając przewodność, stabilność lub wydajność w zastosowaniach takich jak magazynowanie energii lub kataliza. W tym badaniu naukowcy użyli boru zamiast krzemu i siarki zamiast fosforu, aby przyspieszyć reakcje w materiale elektrody typu solid state i przezwyciężyć tę trudność.
Krytyczne stężenie domieszkowania heteroatomami wynoszące ok. 5 procent może zapewnić bardzo aktywne miejsca dla reakcji stopowania materiałów anodowych, zwiększając wewnętrzne rozrywanie wiązań chemicznych, zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi i danymi spektroskopii absorpcyjnej promieni rentgenowskich (XAS). Stosując tę metodę, uczeni byli w stanie opracować ultraszybko ładujący akumulator z katodą z tlenku litu i kobaltu (LCO) oraz anodą z czarnego fosforu domieszkowanego siarką (S/bP). Akumulator przewyższył wcześniej testowane ogniwa litowo-jonowe, ładując 80 proc. swojej energii w ciągu 9 minut przy gęstości energii 302 Wh/kg. Ponadto ta superszybka wydajność ładowania utrzymywała się na stałym poziomie przez ponad 300 cykli.
Ta nowatorska technologia elektrokatalizy w stanie stałym daje duże nadzieje na poprawę wydajności akumulatorów pojazdów elektrycznych, umożliwiając szybsze ładowanie i lepszą efektywność energetyczną.