Una càrrega completa en 18 segons? ! Ja no et preocupis per sortir de casa i quedar-te sense bateria...

Els telèfons mòbils, ordinadors, tauletes, etc. que utilitzen bateries com a font d'energia han passat a formar part de les nostres vides, i cada cop hi ha més persones que comencen a patir "ansietat per l'electricitat", al mateix temps, l'acceleració de la popularitat dels vehicles de nova energia ha va fer que cada cop fos més difícil per a la gent carregar bateries llargues, més ràpid! Carregueu la bateria una mica més ràpid! Aquest es va convertir en el desig comú de tots.

Aquest desig es pot fer realitat aviat. Recentment, l'equip de Song Li, professor del Laboratori Nacional de Radiació de Sincrotró de la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina, va desenvolupar una bateria amb capacitat de càrrega ràpida.

 

Avui parlarem més d'aquesta investigació.

 

La bateria d'ions de liti és un dispositiu d'emmagatzematge d'energia àmpliament reconegut. Amb els avantatges d'una alta densitat d'energia i un ampli rang de temperatures de funcionament, les bateries d'ions de liti han ocupat la gran majoria de les bateries comercials. Tanmateix, l'electròlit orgànic utilitzat té un cert dany per al cos humà i l'escassetat de recursos de liti comportarà l'escassetat del mercat de la bateria en el futur.

 

La bateria d'ions de zinc, com a nou talent en el camp de l'emmagatzematge d'energia, no només té una alta densitat d'energia teòrica, sinó que també té un electròlit d'aigua no tòxic, garantint una producció i aplicació segura i eficient. A més, els recursos de zinc barats i abundants també redueixen en gran mesura el cost de l'ús de la bateria, i s'espera que es converteixi en un substitut potencial de les bateries d'ió de liti en el futur.

Tot i que hi ha moltes diferències en l'ús dels materials, l'estat de treball de les bateries d'ions de zinc i de liti en el procés de càrrega i descàrrega és molt similar.

 

El material del càtode de la bateria sovint està en capes: durant el procés de descàrrega de la bateria, els ions de liti (o ions de zinc) s'incorporaran a la capa del material del càtode per a l'emmagatzematge; Durant el procés de càrrega de la bateria, els ions de liti (o ions de zinc) s'escaparan de la capa de material positiu i tornaran a l'elèctrode negatiu.

En general, el principi de funcionament de la bateria és un procés de migració d'ions i transferència d'electrons.

El principi de càrrega ràpida de la bateria

Així, en aquesta investigació científica, com s'aconsegueix la bateria de càrrega ràpida?

 

1. Ampliar els canals de transport iònic

 

Com s'ha esmentat anteriorment, el procés de càrrega i descàrrega de les bateries d'ions de zinc és un procés de migració contínua d'ions. Si voleu emmagatzemar la màxima capacitat de la bateria possible en un curt període de temps, heu de crear un gran espai d'emmagatzematge per als ions de zinc.

 

En primer lloc, els investigadors es van centrar en materials de pentòxid de vanadi en capes amb estructura espacial ajustable. El material de pentòxid de vanadi en capes està estructurat com si estigués disposat per múltiples plaques paral·leles. Per augmentar l'espaiat entre capes del material del càtode en capes, es poden intercalar prèviament ions d'amoni més grans. Això és per afegir alguns pilars entre aquestes capes amb antelació per augmentar l'espaiat entre capes.

 

Amb el suport dels ions d'amoni, els ions de zinc poden migrar més fàcilment al material de l'elèctrode positiu, i l'espai entre capes més gran també pot millorar eficaçment la capacitat d'emmagatzematge d'energia de la bateria.

 

 

2. Des d'ajustar l'ocupació orbital fins a accelerar la transferència d'electrons

És important saber que el procés d'emmagatzematge d'energia de la bateria està estretament relacionat amb la migració d'ions i la transferència d'electrons. Quan els ions de zinc entren a la capa de material del càtode per a l'emmagatzematge, alguns electrons també es transferiran al material del càtode per mantenir l'equilibri de càrrega general. Per tant, també és molt important estudiar la influència dels ions intercalats en l'estructura electrònica dels materials en capes.

 

Tanmateix, els mètodes de prova convencionals són difícils d'explorar clarament les estructures atòmiques i electròniques internes dels materials. Per tant, es necessiten tècniques de caracterització de la radiació de sincrotró més avançades per a la detecció. En poques paraules, la tecnologia de radiació de sincrotró es pot entendre com una versió millorada del "super microscopi", utilitzant la seva gran brillantor i les seves característiques de banda ampla per veure l'estructura interna de la matèria.

Mitjançant aquesta tècnica, els investigadors van investigar els canvis d'ocupació orbital atòmica en el material de pentaòxid de vanadi després de la inserció de pilars d'ions d'amoni entre capes i l'evolució reversible del procés de càrrega i descàrrega.

 

Aquí primer introduïm el concepte bàsic d'estructura electrònica.

 

Per als elements amb electrons extranuclears, els seus electrons no estan desordenats, sinó disposats en òrbites. A més, els electrons sempre ocupen primer els orbitals d'energia més baixa, és a dir, els nuclis del centre, disposats de dins cap a fora.

 

Per al vanadi, la seva disposició d'electrons de valència es mostra a continuació, amb cinc electrons de valència a la capa exterior. En el pentòxid de vanadi, els cinc electrons s'utilitzen per unir-se amb àtoms d'oxigen. En aquest punt, l'orbital 3d del vanadi és l'orbital buit que no està ocupat per electrons.

 

 

3. La regulació dual de l'estructura de cristall i l'estructura electrònica fa que la càrrega ràpida i el cicle estable es facin realitat

Quan s'utilitza aquest nou material de càtode, la bateria d'ions zn aconsegueix una capacitat de 101 mAh/g a una densitat de corrent de 200 °C i la càrrega només triga 18 segons. Al mateix temps, l'electròlit d'aigua també garanteix la seguretat del procés de circulació i redueix la contaminació del medi ambient.

 

En aquest article, l'espaiat entre capes i l'estat d'ocupació orbital dels materials en capes es dissenyen i es regulen a partir de l'estructura cristal·lina i l'estructura electrònica dels materials. Al mateix temps, combinat amb els mitjans avançats de caracterització de la radiació de sincrotró, l'evolució de l'estructura del material és més intuïtiva i clara, de manera que és possible el material d'elèctrode positiu amb característiques de càrrega ràpida.

 

Potser en un futur proper, aquests materials es poden utilitzar en productes electrònics i fins i tot en transport públic. La reducció significativa del temps de càrrega pot fer que la vida de les persones sigui més eficient i còmoda; Els materials de la bateria segurs i nets també poden reduir la càrrega per al medi ambient. Creieu que la tecnologia farà que aquest dia no sigui gaire llunyà.