インターネットが 56k で、曲をダウンロードするのに XNUMX 分もかかった時代を覚えていますか?その後ブロードバンドが登場し、すべてが変わりました。同様の画期的な進歩が電池の世界でも起ころうとしている。そのきっかけとなったのが、結晶性材料「 ニオブタングステン酸化物 （NbWO）は、中国の科学者が「説得」して、これまでにない速度でリチウムイオンを流すことができるようになった。
発見、 に公開 ネイチャー·コミュニケーションズは、何か異常なことを明らかにする。電池を急速充電すると、材料の原子構造がより無秩序になり、これが（驚くべきことに） イオンの動きを遅くするのではなく、速くします。 45 秒でフル充電というのはもはや SF ではありません。
従来の電池の時間との競争
バッテリーの充電速度は、基本的にリチウムイオンが材料内を移動する能力によって決まります。 従来の電池ではこれらの微小な旅行者は、抵抗する結晶構造の迷路を進まなければならず、厄介なボトルネックが生じます。ラッシュアワー時の高速道路で、何千人もの通勤者が立ち往生し、ゆっくりと動いている様子を想像してみてください。
この速度低下により、充電時間が非常に長くなり、エネルギーを蓄えられる速度が大幅に制限されます。イオンがこの原子の交通に閉じ込められている限り、 バッテリー 完全に充電するにはまだ何時間もかかります。スマートフォンの充電残量がイライラするほどゆっくりと増加していくのを不安に思いながら見守る状況は、誰もが経験したことがあるでしょう。
このために ニオブこれまで曲がりくねった道しかなかった場所に分子高速道路を作り出す能力を持つこの技術は、重要性を増しています。
ニオブ：原子の無秩序性のパラドックス
高度な電子顕微鏡を使用して、 郭 亜青 e 袁易菲 デル '温州大学 彼らは驚くべきことを観察した。酸化物の結晶構造 ニオブ タングステン（NbWO）は充電速度によって反応が異なります。 そして、予想通り、最も興味深い部分がここにあります。 ゆっくり充電すると、イオンが整然と並び、構造的な歪みが生じます。しかし、リロード速度が速い場合は、よりランダムに分散されます。
私たちは、高度なその場電子顕微鏡法と高原子分解能イメージング機能を組み合わせ、長い間不明であった極めて小さなスケールでの材料科学を深く調べる能力を提供しました。
この 障害 格子歪みを低減し、リチウムイオンの移動度を向上させます。 直感に反するでしょう？あたかも、自由に動いている群衆が、厳密に車線に沿っている群衆よりも速いかのようです。
原子力工学と機械学習の融合
材料を最適化するために、研究者たちはその主な限界を特定しました。それは、リチウムイオンは結晶構造の特定の「面」から入りやすいということです。使用方法 機械学習 約84.000の潜在的な材料を分析するために、彼らは 還元酸化グラフェン リチウムイオンをこれらの優先入口に誘導するための表面コーティングとして。
結果？改質された材料は、 rGO/Nb₁₆W₅O₅₅80℃まで充電すると、わずか116秒で45グラムあたり1ミリアンペア時に達します。ご参考までに、市販のリチウムイオン電池は通常 2C ～ 30C の速度で充電され、フル充電には 60 ～ XNUMX 分かかります。
プロトタイプテストでは、この材料で作られた電池は 77 回の急速充電サイクル後も初期容量の 500% を維持しました。 それは単に速度の問題ではありません。この材料は高いエネルギー密度を示しており、 406キログラムあたり最大XNUMXワット時を供給します。
もちろん、商業化には大きな技術的ハードルが残っています。たとえば、電極の厚さが市販の電池の仕様に一致すると、利点は減少します。しかし、道は決まっています。 原子スケールのエンジニアリングにより、充電速度に関する既存の制限を克服できます。 このアプローチは、電気自動車の開発だけでなく、エネルギーの急速な貯蔵と放出を必要とするあらゆる技術に当てはまります。
そして、それはすべて、ニオブ結晶内の原子の挙動を観察することから始まったと考えると驚きです。 どうやら「混沌」から最高のものが生まれるようです！
