Данное открытие группа американских физиков и химиков из университетов Миссисипи (Mississippi State University) и Флориды (Florida State University) совершила при помощи суперкомпьютерного моделирования.

Ученые показали, что при добавлении особым образом во время процесса зарядки колеблющегося электрического поля к основному, обеспечивающему зарядку батареи, время зарядки заметно сокращается. Более того, зависимость времени от параметров дополнительного поля оказывается экспоненциальной, то есть время зарядки можно сократить в разы.

В ходе обычной зарядки электрическое поле, образованное при приложении напряжения к электродам, помогает ионам лития преодолеть потенциальный барьер в графите и проникнуть в него. Скорость этого «насыщения» — один из важнейших лимитирующих факторов, определяющих темп заряда в целом.

Ключевой момент процесса заряда литиевой батареи — встраивание (интеркаляция — обратимое включение молекулы или группы между другими молекулами или группами) ионов лития в высокопористый графитовый электрод (получается разновидность компаунда — GIC).

a) система в классическом случае (без осциллирующего поля) и через 200 наносекунд. Несмотря на такое время, ещё ни один литиевый ион не попал по назначению

b) cмоделированная система с добавочным пульсирующим полем через 19 наносекунд после начала заряда. Первый ион лития уже проник в графит.


Чтобы изучить интеркаляцию детальнее, авторы новой работы построили в компьютере молекулярную динамическую модель данной части аккумулятора, которая включала 160 атомов углерода (собранных в 4 графеновых слоя), растворитель, представленный 69 молекулами пропиленкарбоната и 87 молекулами этиленкарбоната, а также необходимые для работы батареи 2 иона гексафторфосфата (PF6) и собственно 10 ионов лития (Li+, большие белые шарики на рисунках).

В ходе компьютерных экспериментов с этой системой выяснилось, что приложение к графитовому электроду внешнего осциллирующего электрического поля (перпендикулярно графеновым листам, с частотой 25 ГГц) заметно ускоряет интеркаляцию, помогая литию преодолевать потенциальный барьер.

Интереснее всего оказалось открытие того факта, что с ростом амплитуды поля среднее время, необходимое «тестовым» ионам, чтобы проникнуть внутрь графита, падает экспоненциально. Это было проверено сотнями раундов моделирования с различными параметрами поля и случайным исходным положением молекул.

В ближайшем будущем авторы планируют смоделировать влияние на систему полей не только с частотой 25 ГГц, а и с различными частотами. Кроме того, результаты моделирования нужно сравнить с данными экспериментов.

Полная версия отчета опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

При этом сами исследователи затрудняются ответить на вопрос: как скажется новый способ зарядки на параметрах батарей, например, времени хранения заряда и количестве циклов перезарядки.

Совсем недавно ученые создали специальную краску, которая позволит превращать обычную ткань в гибкие тонкие батареи. Для этого ткань необходимо обработать специальным красителем на основе углеродных нанотрубок.

Tags:

Эта статья была опубликована: Суббота, марта 13, 2010 в 23:23 в категории Физика. Вы можете читать любые ответы через RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.

Ваш комментарий

Имя (*)
email (*)
вебсайт
Комментарий
Перед отправкой формы:
Human test by Not Captcha