Szybki rozwój pojazdów elektrycznych i urządzeń elektronicznych dużej mocy napędza rosnące zapotrzebowanie na ultraszybko ładujące się akumulatory litowo-jonowe. Niemniej jednak, obecne akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się znacznym spadkiem mocy podczas szybkiego ładowania, co może prowadzić nawet do katastrofalnych awarii, co stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa. Wynika to głównie z niestabilności elektrochemicznej na granicy faz anoda-elektrolit, powodującej szkodliwe osadzanie się litu metalicznego na powierzchni akumulatora oraz jego niską stabilność termiczną.
W ostatnich latach wysokonapięciowe materiały anodowe stały się wysoce obiecującą alternatywą w zapobieganiu nadmiernemu osadzaniu się litu i tworzeniu niestabilnych warstw międzyfazowych stałego elektrolitu (SEI). Pomimo tych zalet, najnowocześniejsze materiały wciąż mają ograniczenia w postaci niezadowalającej przewodności jonowej i stabilności termicznej, co osłabia moc wyjściową i długoterminową niezawodność.
Według doniesień mediów zagranicznych, aby rozwiązać te problemy, zespół badawczy pod kierownictwem profesora nadzwyczajnego Dongwooka Hana z Narodowego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Seulu opracował niestechiometryczny (OS) materiał anodowy fosforanu litu i tytanu o strukturze typu NASICON. Materiał ten jest znany z wyjątkowej stabilności strukturalnej i termicznej. Konstrukcja ta umożliwia indukowanie spontanicznej transformacji fazowej pod powierzchnią cząstek materiału aktywnego, co pozwala na przełamanie ograniczeń kinetycznych i osiągnięcie stabilnego, szybkiego ładowania.
Wyniki odpowiednich badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Functional Materials.
Modulacja powierzchniowa dla przyspieszonego transportu jonów
Fosforan litowo-tytanowy (LTP) posiada strukturę typu sodowo-superprzewodnikowego (NASICON), która charakteryzuje się wyjątkową stabilnością strukturalną i termiczną, a także kanałami szybkiej dyfuzji jonów litu. Aby w pełni wykorzystać jego potencjał, naukowcy przyjęli strategię projektowania odbiegającą od stechiometrycznej i celowo zwiększyli stosunek fosforu (P) do tytanu (Ti). Taka uboga w tytan kompozycja generuje domeny fosforanu tytanu (TPO) blisko powierzchni cząstek LTP.
Te bogate w TPO obszary działają jak wysokowydajne kanały kinetyczne, obniżając barierę energetyczną dla transportu jonów litu przez granicę faz anoda-elektrolit i budując szybkie ścieżki transferu jonów w pobliżu powierzchni cząstek. Ponadto, wysoce elastyczne wiązania P‑O‑P w strukturze TPO zapewniają elastyczność strukturalną, umożliwiającą adaptację do zmian objętości podczas szybkich cykli ładowania i chronią strukturę typu NASICON przed nieodwracalnymi uszkodzeniami.
Solidna wydajność w warunkach szybkiego ładowania
W testach wydajności ładowania, które są kluczowym wskaźnikiem oceniającym zdolność szybkiego ładowania, anoda kompozytowa OS‑LTP‑carbon (OS‑LTP/C) zachowała aż 86% swojej początkowej pojemności przy szybkości ładowania 10C, podczas gdy pojemność nieskazitelnej anody kompozytowej LTP/C drastycznie spadła.
Materiał ten zapewnia również doskonałą stabilność cykli po ponad 250 cyklach. Konfiguracje pełnoogniwowe charakteryzują się podobnie wysoką wydajnością i szeroką kompatybilnością z katodami wysokonapięciowymi.
Szersza droga do bezpieczniejszych baterii
„Nasza metoda tworzy zupełnie nowy paradygmat projektowania akumulatorów z funkcją szybkiego ładowania i może być szeroko stosowana w wielu przyszłych systemach magazynowania energii, w tym w akumulatorach całkowicie opartych na ogniwach półprzewodnikowych” – podkreślił Han. „Ta strategia projektowania może sprawić, że pojazdy elektryczne staną się bardziej praktyczne poprzez skrócenie czasu ładowania, poprawę bezpieczeństwa i wsparcie dla sieci energetycznych opartych na energii odnawialnej”.
Podsumowując, ta strategia projektowania niezgodna ze stechiometryczną rozwiązuje jeden z głównych problemów, z jakimi borykają się akumulatory, i oferuje obiecujące podejście do technologii magazynowania energii umożliwiającej ultraszybkie ładowanie, gotowej do wprowadzenia na rynek.
Czas publikacji: 07-08-2026