Литий-ионные батареи заслуженно считаются одним из самых важных изобретений в области энергетики и электротехники. Подобные аккумуляторы способны хранить большой объём энергии и имеют неплохой запас срока службы, но, как и любые электротехнические устройства, они не лишены недостатков. В частности, с понижением температуры среды производительность этих источников энергии заметно ухудшается, а в некоторых случаях они и вовсе становятся непригодными к эксплуатации. Учёные представили концепт модификации электродов, с помощью которой можно создать морозостойкий литий-ионный аккумулятор.
Когда температура опускается ниже нуля, телефоны чаще нуждаются в подзарядке, а запас дальности хода электромобилей существенно сокращается. Это связанно с тем, что в таких условиях литий-ионный аккумулятор хуже держит и передаёт заряд. В контексте электромобилей такая слабость батарей ухудшает общую производительность транспортного средства, а также снижает эффективность некоторых систем, например, системы рекуперативного торможения. Автопроизводители всячески пытаются устранить этот недостаток. К примеру, Ford проводит эксперименты с элементами температурной регулировки, которые используют часть заряда для обогрева устройства изнутри. Кроме того, исследователи видят перспективу в применении слабосвязывающих электролитов.
Команда учёных из ряда передовых исследовательских университетов КНР решила пойти кардинально иным путём. Они выяснили, что значительная доля снижения производительности литий-ионных батарей на морозе происходит из-за графитового анода с плоской геометрией поверхности. Си Ван, Цзяньнянь Яо и их коллеги решили поэкспериментировать со структурой поверхности углеродного материла, чтобы оптимизировать процесс переноса заряда. Для создания нового материала исследователи разогрели кобальтсодержащий металл-органический каркас, известный как ZIF-67, до высоких температур (от 425 °C до 600 °C), получив 12-гранные углеродные наносферы с бугристой поверхностью. В ходе тестов учёные обнаружили, что именно такая поверхность способствует улучшению способности переноса электрического заряда.
В качестве площадки для оценки эффективности модифицированного анода выступил литий-ионный аккумулятор типа «таблетка» с традиционным литий-металлическим катодом. Устройство продемонстрировало стабильную работу в диапазоне температур от 25 °C до -20 °C. При температуре немного ниже нуля усовершенствованный аккумулятор сохранил 85,9% ёмкости, в то время как литий-ионные батареи с другими типами углеродных анодов практически не держали заряд. Даже при температуре -35 °C анод, изготовленный из бугристых углеродных наносфер, сохранил способность получать заряд и отдавать его в полном объёме. По мнению исследователей, внедрение подобных анодов в обычные литий-ионные аккумуляторы позволит сделать их достаточно морозостойкими не только для эксплуатации в электромобилях, владельцы которых проживают в регионах с холодным климатом, но также в дронах и даже в космических летательных аппаратах, предназначенных для исследования глубокого космоса вдали от солнечного тепла.
Источник: Riemannian Surface on Carbon Anodes Enables Li-Ion Storage at −35 °C