В поисках более эффективного сырья для изготовления литий-ионных аккумуляторов инженеры и ученые давно присматривались к группе оксидов металлов. Их первые тесты привели к весьма любопытным результатам — объемы накопленной и удерживаемой энергии подобными химическим элементами, значительно превосходило расчетные показатели. Однако объяснения этому феномену найти не удалось, а все что нельзя понять и контролировать слабо пригодно для коммерческого использования.
Идея была отложена в долгий ящик, но как это часто бывает, настал ее звёздный час. В журнале Nature Materials появилась статья, посвящённая масштабному исследованию свойств оксидов металла, в которой было дано объяснение их необычным свойствам. Дополнительно в статье описывается и процесс тестирования, который может стать отправной точкой в создании первого аккумулятора повышенной ёмкости. В работе принимала участие команда исследователей из исследователей из Университета штата Калифорния, Массачусетского технологического института, Университета Ватерлоо в Канаде, Шаньдунского университета Китая, Университета Циндао в Китае и Китайской академии наук.
Команда обнаружила, что эти оксиды металлов обладают уникальными способами хранения энергии за пределами классических электрохимических механизмов хранения. В ходе своей работы ученые обнаружили несколько типов соединений металлов, способных накапливать до трех раз больше энергии по сравнению с материалами, которые используются в сегодняшних коммерческих образцах литий-ионных батарей.
В течение почти двух десятилетий исследовательское сообщество было озадачено аномально высокими характеристиками этих материалов, превышающими их теоретические пределы. Опубликованная работа демонстрирует самые первые экспериментальные доказательства, показывающие, что дополнительный заряд физически содержится внутри этих материалов с помощью механизма хранения пространственного заряда.
Чтобы продемонстрировать это явление, команда нашла способ отслеживать и измерять, как элементы меняются с течением времени.
Основным тестовым материалом были выбраны оксиды переходных металлов. Они представляют собой соединения, содержащие кислород, связанный с переходными металлами, такими как железо, никель и цинк. Энергия может храниться внутри оксидов металлов — в отличие от типичных методов, при которых ионы лития перемещаются внутрь и из этих материалов или преобразуют их кристаллические структуры для хранения энергии. И исследователи показывают, что дополнительная зарядовая емкость также может храниться на поверхности наночастиц железа, образованных в ходе ряда обычных электрохимических процессов.
Согласно исследованию, широкий спектр переходных металлов может раскрыть эту дополнительную способность, и их объединяет общая черта — способность собирать электроны с высокой плотностью. По словам одного из руководителей группы, эти материалы еще не готовы к запуску в производство, в первую очередь из-за скудной информации о них. Но исследователи заявили, что эти новые открытия должны пролить свет на потенциал этих материалов.
Ключевой метод, используемый в этом исследовании, названный магнитометрией, представляет собой метод магнитного мониторинга в реальном времени для исследования эволюции внутренней электронной структуры материала. Он может количественно оценить емкость заряда, измеряя вариации магнетизма. Этот метод можно использовать для исследования накопления заряда в очень небольшом масштабе, который выходит за рамки возможностей многих традиционных инструментов определения характеристик.
