Улучшение характеристик аккумуляторных батарей за счёт введения квантовых точек

Команда учёных из университета Вандербильта (США) нашла способ улучшить рабочие характеристики аккумуляторных батарей. Если добавить в батарею смартфона квантовые точки – нанокристаллы, в 10 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса – то она зарядится за 30 с. Однако, эффект повторяется лишь несколько циклов зарядки-разрядки. Учёные далеко продвинулись в методе получения квантовых точек из дисульфата железа, широко известного как «кошачье» золото. Специалисты смогли создать батареи, способные быстро заряжаться и служить дюжину рабочих циклов.

Аккумуляторная батарея с добавлением миллионов квантовых точек

Учёные заинтересовались дисульфатом железа, поскольку он один из самых распространённых минералов в земной поверхности (железный колчедан). Он добывается прямым способом как побочный материал при производстве угля. Это обуславливает его дешевизну и применение в обычных литиевых батарейках, которые продаются в магазине и служат лишь один рабочий цикл.

Несмотря на перспективы, у учёных возникли определённые проблемы при извлечении наночастиц, служащих для улучшения работы аккумуляторных батарей. Когда размер частиц становится очень малым, менее 10 нм (40–50 атомов), то они начинают вступать в реакцию с электролитом и позволяют реализовать лишь несколько циклов зарядок и разрядок. Такой режим работы пока что не применяется в коммерческих ионно-литиевых аккумуляторных батареях.

Добавление блоков дисульфата железа в аккумуляторную батарею не приносит требуемого эффекта, поскольку железо должно перемещаться к поверхности для возможности формирования сернистого натрия, хранящего заряд. Квантовые точки дисульфата железа, напротив, в структуре имеют атомы железа непосредственно у поверхности в силу малого размера. Поэтому, процесс расхода/накоплении энергии может проходить несколько раз

Команда учёных занимается изучением подобного режима работы с наночастицами. Миллионы квантовых точек различного размера, полученных из дисульфата железа, добавлялись в стандартные литиевые батарейки. Наилучший результат был достигнут при добавлении нанокристаллов с размером 4,5 нм. Частицы такого размера благоприятно повлияли как на циклические процессы разрядки/зарядки, так и на скорость зарядки.

Учёные обнаружили, что полученный результат стал возможным благодаря способности дисульфата железа уникальным способом превращается в соединение железа и сернистого лития (сернистого натрия) для накопления энергии. Данный механизм накопления отличается от способа, который используется в работе коммерческих ионно-литиевых аккумуляторов, когда литий внедряется в материал во время зарядки и извлекается при разрядке. При этом материал, содержащий элементы лития, остаётся неизменным.

Элементная карта демонстрирует кластер квантовых наночастиц (верхнее изображение) и массив FeS2 (нижнее изображение) после введения натрия в материал. Натрий, в данном случае, играет основную роль хранения заряда. Равномерное распределение натрия в кластере квантовых точек характеризует лучшую способность хранения заряда в сравнении с обычной структурой, когда натрий может достигать лишь поверхности материала.

Учёные полагают, что лучшее понимание механизма химического хранения заряда в рамках применения наночастиц – критически важный шаг в эволюции современных аккумуляторов. Новые исследования особо актуальны в свете действия законов Мура и в тенденциях перехода к электромобилям.