Помните, когда скорость интернета была 56k, нам требовалось полчаса, чтобы загрузить песню? Затем появился широкополосный доступ в Интернет, и все изменилось. Такой же эпохальный скачок произойдет и в мире аккумуляторов благодаря кристаллическому материалу, называемому оксид ниобия вольфрама (NbWO), которую китайские ученые «убедили» заставить ионы лития течь с невиданной ранее скоростью.
Открытие, Опубликован в Природа связи, обнаруживает нечто необычное: когда батареи заряжаются быстро, атомная структура материала становится более беспорядочной, и это (удивительно) ускоряет движение ионов, а не замедляет его. Полная зарядка за 45 секунд — уже не научная фантастика.
Гонка со временем традиционных батарей
Скорость зарядки аккумуляторов в значительной степени зависит от способности ионов лития перемещаться через материалы. В обычных батареяхЭти микроскопические путешественники должны проложить путь по лабиринту сопротивляющихся кристаллических структур, создавая опасное узкое место. Представьте себе шоссе в час пик, на котором застряли тысячи пассажиров, двигающихся с трудом.
Это замедление приводит к мучительно длительному времени перезарядки и резко ограничивает скорость, с которой мы можем хранить энергию. Пока ионы остаются в ловушке этого атомного движения, наши аккумулятор Для полной зарядки по-прежнему будут требоваться часы. С подобной ситуацией мы все сталкивались, с тревогой наблюдая, как процент заряда на нашем смартфоне растет с раздражающей медлительностью.
Для этого ниобий, с его способностью создавать молекулярные магистрали там, где раньше были только извилистые пути, приобретает все большее значение.
Ниобий: парадокс атомного беспорядка
Используя современные электронные микроскопы, Яцин Го e Ифэй Юань о 'Университет Вэньчжоу они обнаружили нечто удивительное: кристаллическую структуру оксида ниобий а вольфрам (NbWO) по-разному реагирует на разные скорости зарядки. И вот тут, как я и предполагал, начинается самое интересное: во время медленной зарядки ионы располагаются упорядоченно, вызывая структурные искажения; но при высокой скорости перезарядки они распределяются более хаотично.
Мы объединили передовую электронную микроскопию in situ с возможностями визуализации с высоким атомным разрешением, что дало возможность глубоко изучить материаловедение в чрезвычайно малых масштабах, что долгое время оставалось неясным.
Это беспорядок уменьшает искажения решетки и улучшает подвижность ионов лития. Противоречиво, не правда ли? Как будто свободно движущаяся толпа движется быстрее, чем та, которая строго следует по полосам.
Атомная инженерия встречается с машинным обучением
Чтобы оптимизировать материал, исследователи выявили его главное ограничение: ионы лития предпочитают проникать через определенные «грани» кристаллической структуры. Используя обучение с помощью машины для анализа почти 84.000 XNUMX потенциальных материалов они выбрали Восстановленный оксид графена в качестве поверхностного покрытия, направляющего ионы лития к этим предпочтительным точкам входа.
Результат? Модифицированный материал, обозначенный как rGO/Nb₁₆W₅O₅₅, заряжается до 80 °C, достигая 116 миллиампер-часов на грамм всего за 45 секунд. Чтобы дать вам представление, коммерческие литий-ионные аккумуляторы обычно заряжаются током от 1С до 2С, и для полной зарядки требуется 30–60 минут.
В ходе испытаний прототипов батареи, изготовленные из этого материала, Они сохранили 77% своей первоначальной емкости после 500 циклов быстрой зарядки. Это не просто вопрос скорости: материал продемонстрировал высокую плотность энергии, обеспечивая до 406 ватт-часов на килограмм.
Конечно, остаются значительные технические препятствия для коммерциализации. Например, преимущества уменьшаются, когда толщина электродов соответствует спецификациям коммерческих аккумуляторов. Но путь определен: Атомная инженерия способна преодолеть существующие ограничения по скорости зарядки. Подход, применимый не только к разработке электромобилей, но и к любой технологии, требующей быстрого хранения и высвобождения энергии.
И подумать только, что все началось с наблюдения за поведением атомов в кристалле ниобия. Кажется, из «хаоса» рождаются самые лучшие вещи!
