Исследователям из университета Вандербильта удалось получить новые сведения о процессах, протекающих в литиево-ионных батареях на наноуровне. Возможно, сделанное открытие будет способствовать ускорению разработки аккумуляторов, заряжаемых за несколько секунд.

Группа ученых занималась исследованием батарей, содержащих квантовые точки из железного колчедана.

Квантовые точки – это частицы, состоящие всего из нескольких десятков атомов. Ученым уже известно, что применение их в батареях позволяет осуществлять очень быструю зарядку аккумуляторов. Но при этом срок службы батареи оказывается очень коротким.

«Маленькие частицы вступают в химическую реакцию с электролитом, в результате чего батарею удается зарядить и разрядить всего несколько раз, после чего она выходит из строя», – пояснил старший преподаватель кафедры машиностроения университета Вандербильта Кэри Пинт.

Изучая влияние квантовых точек из железного колчедана, исследователи обнаружили, однако, что процессы создания запасов энергии в батарее протекают совершенно по-другому, и ожидаемой химической реакции не происходит. Соответствующие работы выполнялись Анной Дуглас.

В обычной литиево-ионной батарее ионы лития проникают в материал хранения в процессе заряда аккумулятора и покидают его во время разряда. В прототипе же новой батареи, они вступают в реакцию с молекулами железного колчедана, состоящими из одного атома железа и двух атомов серы. В результате образуется соединение лития с серой, а атом железа освобождается. При разряде выполняется обратная реакция с повторным образованием железного колчедана.

«Это происходит снова и снова, – подчеркнул Пинт. – В нашем случае мы получаем увеличение емкости и запасов энергии. Предложенное решение оказывается намного эффективнее, но частицы необходимо подбирать такого размера, чтобы железо могло выходить из материала».

Добиться этого можно с помощью квантовых точек. Соответствующие частицы столь малы – размеры их составляют около 4,5 нм – что в каждой из экспериментальных батарей содержится около 50 млн квантовых точек.

«Выяснилось, что при использовании таких наночастиц батарея уже не выходит из строя, – указал Пинт. – Интеграция крохотных наночастиц формирует зону наилучшего восприятия, благодаря чему батарея заряжается очень быстро».

Конечно, новый тип батареи нельзя создать за одну ночь, однако исследователям удалось продемонстрировать суть функционирования аккумулятора на наноуровне.

«Полученные результаты позволяют нам сформулировать набор правил проектирования для семейства материалов, подвергавшихся соответствующим изменениям, – заявил Пинт. – Мы можем применять указанные правила к целому классу материалов и создавать системы наноструктур, построенные на их основе. А ведь до сих пор у нас не было понимания даже базовых правил».