Тред №320435

Надавно, 20 марта 2011, в журнале Nature Nanotechnology  --- Letter

http://www.nature.co…11.38.html

вышла статья авторов

Huigang Zhang, Xindi Yu & Paul V. Braun

из

Department of Materials Science and Engineering, Materials Research Laboratory, and Beckman Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, USA

под названием

Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and -discharge bulk battery electrodes

суть которой, опуская миллион подробностей, такова:

Ахиллесова пята аккумуляторов это медленная дуффузия ионов, что делает быстрый разряд и, что особенно болезненно, быструю зарядку невозможными. Столь же хорошо известно, что быстрый разряд с быстрой зарядкой возможны с суперконденсаторами, но их энергетическя емкость на единицу массы в многие разы ниже, чем у аккумукяторов. Авторы предлагают новую конструкцию литий-ионных батарей, которые можно зарядить на 90% за 2 минуты!

В задаче о диффузии всегда есть характерный масштаб времени

t = L²/D

где L характерный размер электрода, а D диффузии. Никакого реального способа резко увеличить коэффициент диффузии не существует. Значит надо уменьшать L, но емкость аккумулятора с маленьким электродом будет микроскопической. То, что задача решается с помощью наноструктурных электродов, было понято уже давно, в идеале нанощетку каналов диффузии ионов надо вставить в нанощетку каналов диффузии электронов, как было подробно обсуждено  
Long, J. W., Dunn, B., Rolison, D. R. & White, H. S. Three-dimensional battery architectures. Chem. Rev. 104, 4463–4492 (2004), да и они не были самыми первыми. Вопрос в практической реализации, и в П.Браун с сотрудниками сделали важный шаг в этом направлении, сочинив катод с трехмерной сотовой структурой (подпись к рисунку не перевожу):

a, Schematic of a battery containing a bicontinuous cathode. b, Illustration of the four primary resistances in a battery electrode. c, Bicontinuous electrode fabrication process. The electrolytically active phase is yellow and the porous metal current collector is green. The electrolyte fills the remaining pores.


Никелевые метрал-гидридные (NiMH ) катоды получают электросаждением  в пустотах коллоидальных стопок полистироловых сфер диаметром 1.8 микрометров, для литий-ионных катодов берут сферы диаметром 466 нанометров. Полистирол вытравливают, что дает пористость около 74%. Оставшийся "скелет" или нанопену электрополируют и пористость доводится до 94% --- по теории лучше 96.4% не сделать.  Остальные тонкости опускаю. Полученнные катоды имеют толшину в 10 микрометров, но это далеко не предел толщины.  Подпись к фото со сканирующего электронного микроскопа  не перевожу:


SEM images of a bicontinuous three-dimensional electrode during each step of preparation. a, Nickel inverse opal after electropolishing (1.8 µm colloidal particle template). b, Cross-section of NiOOH/nickel composite cathode. c, Cross-section of NiOOH/nickel cathode after cycling. d, Nickel inverse opal after electropolishing (466 nm colloidal particle template). e, MnO2/nickel composite cathode. f, Lithiated MnO2/nickel composite cathode.


Анод стандартный из графита. Авторы подчеркивают, что материалы их катодов не отличаются высокой электропроводностью, но получились отличные батареи. Разрядно-зарядные характеристики новых катодов приведены на этих рисунках

Figure 3: Ultrafast discharge and charge of the NiOOH electrode.
a, Discharge curves of NiOOH/nickel cathode at various C-rates. b, Constant potential charge curves (0.45 V versus silver/AgCl) and 6C discharge curves after charging at constant potential for the indicated time. The curve labelled ‘full charge’ was charged galvanostatically at 1C (т.е., в течение часа, nC означает разряд за 1/n часов).


Figure 4: Ultrafast discharge of the lithiated MnO2 cathode.


Мораль такая: при разряде током в 305 раз выше номинала никелевый катод отдает 90% заряда, и даже при немыслимом токе в 291 ампер на грамм материала катода он отдает 75% заряда за 2.7 с .

Что надо сравнить с коммерческими NiMH батареями, которые при разряде током в 35С сохраняют только 1-2% своей емкости.

С литий-ионными батареями улучшение близкое.

Авторы подчеркивают, что (а) их технику можно распространить на другие катодные материалы, которые ранее отвергались по причине плохой электропроводности, (б) техника может быть внедрена в массовое производство.