Създаването на по-ефективни и дълготрайни литиево-йонни батерии е предизвикателство за изследователите, тъй като увеличаването на масата в батериите ограничава скоростта, с която могат да се придвижват електрическите заряди и литиевите йони. За да преодолее това препятствие, изследователски екип е въвел графенова мезогъба в батериите, подобрявайки работата им по време на бърз разряд. Резултатите показват, че графеновата мезогъба е изключително ефективна за повишаване на енергийната плътност и мощността на търговските литиево-йонни батерии.
Учени от цял свят работят върху разработването на по-мощни литиево-йонни батерии. Тези батерии захранват широк спектър от устройства – от смартфони и лаптопи до електрически превозни средства. В съвременните търговски литиево-йонни батерии положителният електрод е елементът, който ограничава енергийната плътност. Затова учените се фокусират върху създаването на високоефективни активни материали за положителния електрод, които биха позволили постигането на по-висока енергийна плътност на батерията.
Изследователите са проучили възможността за използване на чист никелов оксид като материал за електроди в литиево-йонни батерии с висок енергиен капацитет. Въпреки това батерията деградира, тъй като високото напрежение натоварва съдържащите никел материали, което затруднява процесите на зареждане и разреждане.
За да постигнат по-висока енергийна плътност, учените търсят начини да увеличат количеството на активните материали в батерията, като същевременно намалят дела на компонентите в композитния електрод, които не участват в съхранението на енергия – например проводимите добавки и полимерните свързващи вещества. Проблемът е, че прекомерното увеличаване на активния материал, съчетано с минимизиране на проводимите добавки и свързващите вещества, води до неефективни батерии, в които електрическият ток не може да протича свободно през материала.
„Постигането на ефективен пренос на електрони и йони в плътно опаковани електроди с високо натоварване остава сериозно предизвикателство за литиево-йонните батерии с висока енергийна плътност“, заяви Наоаки Ябуучи, професор в Националния университет в Йокохама.
Пореста мрежа подобрява работата на батерията
За да се справи с това предизвикателство, изследователският екип проучи три различни въглеродни материала – ацетиленови сажди, едностенни въглеродни нанотръбички и графенова мезогъба (graphene mesosponge) – като ги характеризира и сравнява в ролята им на възможни проводими добавки за батерии.
Изводът? Графеновата мезогъба действа като функционална проводима добавка, която моделира микроструктурата на електрода чрез своята пореста рамка, подобна на сюнгер. Добавянето дори на малко количество графенова мезогъба води до формирането на триизмерни мрежи за пренос на електрони и йони, което допринася за по-ефективна работа на батериите.
Графеновата мезогъба осигурява това подобрение благодарение на своята пореста структура, която позволява на електролита да проникне дълбоко в частите на батерията, където се съхранява енергията. „Порестата архитектура на графеновата мезогъба създава триизмерна мрежа за пренос на електрони и йони, като електролитът се задържа в нейните мезопори, улеснявайки йонния транспорт и осигурявайки отлични характеристики при високи скорости на работа“, обясни Ябуучи.
Екипът използва FIB-SEM томография – метод за 3D визуализация – за да докаже, че графеновата мезогъба създава по-равномерно разпределена вътрешна структура в електродите на батериите. Триизмерната структура на графеновата мезогъба позволява на електроните да се движат по-свободно вътре в батерията. Това е обещаваща стратегия за постигане на максимална ефективност на батериите в реални условия на експлоатация.
Няколко подобрения накуп
„Нашите резултати показват, че графеновата мезогъба е иновативна проводима добавка, която позволява едновременно подобряване на енергийната и мощностната плътност при практическите литиево-йонни батерии, благодарение на рационалното проектиране на микроструктурата на плътните композитни електроди“, каза Ябуучи.
Тъй като резултатите на екипа показват, че графеновата мезогъба е обещаваща проводима добавка за електроди на литиево-йонни батерии с висока енергийна и мощностна плътност, работата по това направление продължава.
„Нашата крайна цел е да постигнем възможност за бързо зареждане с графитен отрицателен електрод, като по този начин дадем възможност за разработването на практически приложими литиево-йонни батерии, които съчетават висока енергийна плътност, висока мощностна плътност и възможност за бързо зареждане“, заяви Ябуучи.
