Τα ηλεκτρικά οχήματα χρειάζονται παραδοσιακά ώρες για να φορτιστούν, αλλά ένα νέο υλικό ανόδου που αναπτύχθηκε από την ομάδα του καθηγητή Won Bae Kim στην POSTECH μπορεί να μειώσει αυτόν τον χρόνο σε μόλις έξι λεπτά. Αυτή η πρόοδος οφείλεται στη χρήση νανοφύλλων φερρίτη μαγγανίου, που συντίθενται με μια μοναδική μέθοδο, βελτιώνοντας τη χωρητικότητα της μπαταρίας και την ταχύτητα φόρτισης.
Συνήθως, χρειάζονται περίπου 10 ώρες για να φορτιστεί ένα ηλεκτρικό όχημα. Ακόμη και με τις τεχνικές γρήγορης φόρτισης, εξακολουθείτε να κοιτάτε τουλάχιστον 30 λεπτά – και αυτό είναι αν υπάρχει ανοιχτό σημείο σε έναν σταθμό φόρτισης. Εάν τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούσαν να φορτίζουν τόσο γρήγορα όσο ξαναγεμίζουμε τα παραδοσιακά οχήματα με φυσικό αέριο, θα ανακουφίζονταν από την έλλειψη σημείων φόρτισης EV.
Η απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου, του τύπου που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα, καθορίζεται από την ικανότητα του υλικού ανόδου να αποθηκεύει ιόντα λιθίου. Πρόσφατα, ο καθηγητής Won Bae Kim, από το Τμήμα Χημικής Μηχανικής και το Μεταπτυχιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Σιδηρών & Ενεργειακών Υλικών στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH, Πρόεδρος Moo Hwan Kim), ηγήθηκε μιας ερευνητικής ομάδας για την ανάπτυξη ενός νέου υλικού ανόδου.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε ως εξώφυλλο στο Προηγμένα Λειτουργικά Υλικά. Πίστωση: Προηγμένα Λειτουργικά Υλικά
Η ομάδα του, η οποία περιλάμβανε Ph.D. υποψήφιοι Song Kyu Kang και Minho Kim από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών, συνέθεσαν φερρίτες μαγγανίου (Mn3-xFeΧΟ4) νανοφύλλα που χρησιμοποιούν μια νέα μέθοδο αυτο-υβριδισμού που περιλαμβάνει μια απλή διαδικασία γαλβανικής αντικατάστασης. Αυτή η πρωτοποριακή τεχνική ενισχύει τη χωρητικότητα αποθήκευσης περίπου 1,5 φορές πάνω από το θεωρητικό όριο και επιτρέπει σε ένα ηλεκτρικό όχημα να φορτίζεται σε μόλις έξι λεπτά. Η έρευνα αναγνωρίστηκε για την αριστεία της και δημοσιεύτηκε ως πρώτη εργασία στο περιοδικό Προηγμένα Λειτουργικά Υλικά.
Σε αυτή τη μελέτη, η ερευνητική ομάδα επινόησε μια νέα μέθοδο για τη σύνθεση φερριτών μαγγανίου ως υλικό ανόδου, γνωστό για την ανώτερη ικανότητα αποθήκευσης ιόντων λιθίου και τις σιδηρομαγνητικές του ιδιότητες. Πρώτον, μια αντίδραση γαλβανικής αντικατάστασης έλαβε χώρα σε ένα διάλυμα οξειδίου του μαγγανίου αναμεμειγμένο με σίδηρο, οδηγώντας σε μια ένωση ετεροδομής με οξείδιο του μαγγανίου μέσα και οξείδιο σιδήρου έξω.
Η ομάδα χρησιμοποίησε περαιτέρω μια υδροθερμική μέθοδο για να δημιουργήσει φύλλα φερρίτη μαγγανίου πάχους νανομέτρων με εκτεταμένες επιφάνειες. Αυτή η προσέγγιση αξιοποίησε ηλεκτρόνια με υψηλά πολωμένα σπιν, τα οποία ενίσχυσαν σημαντικά την ικανότητα αποθήκευσης για μια σημαντική ποσότητα ιόντων λιθίου. Αυτή η καινοτομία επέτρεψε στην ομάδα να υπερβεί αποτελεσματικά τη θεωρητική ικανότητα του υλικού ανόδου των φερριτών μαγγανίου κατά περισσότερο από 50 τοις εκατό.
Η διεύρυνση της επιφάνειας του υλικού ανόδου διευκόλυνε την ταυτόχρονη κίνηση μεγάλης ποσότητας ιόντων λιθίου, βελτιώνοντας έτσι την ταχύτητα φόρτισης της μπαταρίας. Πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι απαιτούνται μόλις έξι λεπτά για να φορτιστεί και να εκφορτιστεί μια μπαταρία με χωρητικότητα ισοδύναμη με αυτή που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρικά οχήματα που κυκλοφορούν αυτή τη στιγμή στην αγορά. Αυτή η μελέτη έχει βελτιώσει την απαιτητική διαδικασία σύνθεσης για να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στη θεωρητική χωρητικότητα του υλικού ανόδου και να επιταχύνει σημαντικά τη διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας.
Ο καθηγητής Won Bae Kim, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας, δήλωσε: «Προσφέραμε μια νέα κατανόηση για το πώς να ξεπεράσουμε τους ηλεκτροχημικούς περιορισμούς των συμβατικών υλικών ανόδου και να αυξήσουμε τη χωρητικότητα της μπαταρίας εφαρμόζοντας τον ορθολογικό σχεδιασμό με αλλοίωση επιφάνειας χρησιμοποιώντας σπιν ηλεκτρονίων». Εξέφρασε αισιοδοξία ότι αυτή η εξέλιξη θα μπορούσε να οδηγήσει σε αυξημένη αντοχή της μπαταρίας και μειωμένο χρόνο επαναφόρτισης για τα ηλεκτρικά οχήματα.
Παραπομπή: «Υπέρβαση θεωρητικής χωρητικότητας σε αποφλοιωμένα υπερλεπτά νανοφύλλα φερρίτη μαγγανίου μέσω αυτουβριδισμού που προέρχεται από γαλβανική αντικατάσταση για γρήγορες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου» από τους Song Kyu Kang, Minho Kim, Hyun Ho Shin, Wongeung Junjunhee, Choi, Gwan Hyeon Park, Jungsoo Park και Won Bae Kim, 26 Φεβρουαρίου 2023, Προηγμένα Λειτουργικά Υλικά.
DOI: 10.1002/adfm.202300143
Αυτή η έρευνα διεξήχθη με την υποστήριξη του προγράμματος Mid-Career Researcher Program Advanced Research Center of the National Research Foundation of Korea the Ministry of Science and ICT, and the Ministry of Trade, Industry and Energy Program to Upgrade the Performance of Next Generation Επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου και ανάπτυξη νέων τεχνολογιών παραγωγής.
