Eine vollständige Ladung in 18 Sekunden? ! Machen Sie sich keine Sorgen mehr darüber, das Haus zu verlassen und der Akku leer zu sein ...

Mobiltelefone, Computer, Tablets usw., die Batterien als Energiequellen nutzen, sind zu einem Teil unseres Lebens geworden, und immer mehr Menschen beginnen unter „Stromangst“ zu leiden, während gleichzeitig die Beliebtheit von Fahrzeugen mit neuer Energie immer weiter zunimmt machte es für Menschen immer schwieriger, lange Akkus aufzuladen – und zwar schneller! Laden Sie den Akku etwas schneller auf! Dies wurde zum gemeinsamen Wunsch aller.

Dieser Wunsch könnte bald in Erfüllung gehen. Kürzlich hat das Team von Song Li, Professor am National Synchrotron Radiation Laboratory der Universität für Wissenschaft und Technologie in China, eine Batterie mit Schnellladefunktion entwickelt.

 

Heute werden wir mehr über diese Forschung sprechen.

 

Lithium-Ionen-Batterien sind ein weithin anerkanntes Energiespeichergerät. Aufgrund der Vorteile einer hohen Energiedichte und eines breiten Betriebstemperaturbereichs haben Lithium-Ionen-Batterien die überwiegende Mehrheit der kommerziellen Batterien eingenommen. Allerdings hat der verwendete organische Elektrolyt einen gewissen Schaden für den menschlichen Körper, und die Verknappung der Lithiumressourcen wird in Zukunft zu einer Verknappung des Batteriemarktes führen.

 

Die Zink-Ionen-Batterie als neues Talent im Bereich der Energiespeicherung verfügt nicht nur über eine hohe theoretische Energiedichte, sondern verfügt auch über einen ungiftigen Wasserelektrolyten, der eine sichere und effiziente Produktion und Anwendung gewährleistet. Darüber hinaus reduzieren günstige und reichlich vorhandene Zinkressourcen auch die Kosten für die Batterienutzung erheblich und dürften in Zukunft ein potenzieller Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien sein.

Auch wenn es viele Unterschiede in der Materialverwendung gibt, ist der Betriebszustand von Zink-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien im Lade- und Entladevorgang sehr ähnlich.

 

Das Kathodenmaterial der Batterie ist oft geschichtet: Während des Entladevorgangs der Batterie werden Lithiumionen (oder Zinkionen) zur Speicherung in die Schicht des Kathodenmaterials eingebettet; Während des Ladevorgangs der Batterie entweichen Lithiumionen (oder Zinkionen) aus der positiven Materialschicht und kehren zur negativen Elektrode zurück.

Im Allgemeinen ist das Funktionsprinzip der Batterie ein Prozess der Ionenmigration und Elektronenübertragung.

Das Prinzip der schnellen Batterieladung

Wie wird also in dieser wissenschaftlichen Forschung die Schnellladebatterie erreicht?

 

1. Ionentransportkanäle erweitern

 

Wie oben erwähnt, ist der Lade- und Entladevorgang von Zink-Ionen-Batterien ein Prozess der kontinuierlichen Ionenwanderung. Wer möglichst viel Batteriekapazität in kurzer Zeit speichern möchte, muss einen großen Speicherraum für Zink-Ionen schaffen.

 

Zunächst konzentrierten sich die Forscher auf geschichtete Vanadiumpentoxidmaterialien mit einstellbarer räumlicher Struktur. Das geschichtete Vanadiumpentoxid-Material ist so strukturiert, als wäre es aus mehreren parallelen Platten angeordnet. Um den Schichtabstand des schichtförmigen Kathodenmaterials zu vergrößern, können größere Ammoniumionen vorinterkaliert werden. Dabei werden vorab einige Säulen zwischen diesen Schichten hinzugefügt, um den Schichtabstand zu vergrößern.

 

Mit der Unterstützung von Ammoniumionen können Zinkionen leichter in das positive Elektrodenmaterial wandern, und der größere Zwischenschichtraum kann auch die Energiespeicherkapazität der Batterie effektiv verbessern.

 

 

2. Von der Anpassung der Orbitalbesetzung bis zur Beschleunigung des Elektronentransfers

Es ist wichtig zu wissen, dass der Energiespeicherprozess der Batterie eng mit der Ionenmigration und dem Elektronentransfer zusammenhängt. Wenn Zinkionen zur Speicherung in die Kathodenmaterialschicht gelangen, werden auch einige Elektronen auf das Kathodenmaterial übertragen, um das Gesamtladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Daher ist es auch sehr wichtig, den Einfluss interkalierter Ionen auf die elektronische Struktur von Schichtmaterialien zu untersuchen.

 

Allerdings ist es mit herkömmlichen Testmethoden schwierig, die inneren atomaren und elektronischen Strukturen von Materialien eindeutig zu untersuchen. Daher sind für den Nachweis fortschrittlichere Techniken zur Charakterisierung der Synchrotronstrahlung erforderlich. Einfach ausgedrückt kann die Synchrotronstrahlungstechnologie als eine verbesserte Version des „Supermikroskops“ verstanden werden, das seine hohe Helligkeit und Breitbandeigenschaften nutzt, um die innere Struktur der Materie zu erkennen.

Mit dieser Technik untersuchten die Forscher die Veränderungen der Atomorbitalbesetzung im Vanadiumpentoxid-Material nach dem Einfügen von Ammoniumionensäulen zwischen den Schichten und die reversible Entwicklung des Lade- und Entladevorgangs.

 

Hier stellen wir zunächst das Grundkonzept der elektronischen Struktur vor.

 

Bei Elementen mit extranuklearen Elektronen sind ihre Elektronen nicht übereinander angeordnet, sondern auf Bahnen angeordnet. Darüber hinaus besetzen die Elektronen immer zuerst die Orbitale mit niedrigerer Energie, also die Kerne im Zentrum, die von innen nach außen angeordnet sind.

 

Die Anordnung der Valenzelektronen von Vanadium ist unten dargestellt, mit fünf Valenzelektronen in der äußeren Schicht. In Vanadiumpentoxid werden alle fünf Elektronen zur Bindung an Sauerstoffatome verwendet. Zu diesem Zeitpunkt ist das 3D-Orbital von Vanadium das leere Orbital, das nicht von Elektronen besetzt ist.

 

 

3. Die doppelte Regulierung der Kristallstruktur und der elektronischen Struktur ermöglicht schnelles Laden und stabile Zyklen

Bei Verwendung dieses neuen Kathodenmaterials erreicht der Zn-Ionen-Akku eine Kapazität von 101 mAh/g bei einer Stromdichte von 200 °C und der Ladevorgang dauert nur 18 s. Gleichzeitig gewährleistet der Wasserelektrolyt auch die Sicherheit des Zirkulationsprozesses und verringert die Belastung der Umwelt.

 

In dieser Arbeit werden der Schichtabstand und der Orbitalbesetzungszustand der Schichtmaterialien anhand der Kristallstruktur und der elektronischen Struktur der Materialien entworfen und reguliert. Gleichzeitig ist in Kombination mit den fortschrittlichen Mitteln zur Charakterisierung der Synchrotronstrahlung die Entwicklung der Materialstruktur intuitiver und klarer, sodass ein positives Elektrodenmaterial mit Schnellladeeigenschaften möglich ist.

 

Vielleicht können solche Materialien in naher Zukunft in elektronischen Produkten und sogar in öffentlichen Verkehrsmitteln verwendet werden. Die deutliche Verkürzung der Ladezeit kann das Leben der Menschen effizienter und komfortabler machen; Sichere und saubere Batteriematerialien können auch die Umweltbelastung verringern. Glauben Sie, dass die Technologie diesen Tag nicht mehr weit bringen wird.