Новый метод ускоряет зарядку батарей и продлевает их срок службы

Разработан инновационный электрохимический метод, способный кардинально улучшить характеристики аккумуляторов, биоэлектронных интерфейсов и нейроморфных вычислительных схем. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, обещает не только значительно сократить время зарядки батарей, но и повысить их удельную энергоемкость и эксплуатационный ресурс.

Новый подход открывает новые перспективы в повышении эффективности электрохимических систем, включая аккумуляторы, топливные элементы и датчики. Он предоставляет надежную основу для ускорения работы, повышения КПД и продления срока службы устройств, отвечающих за хранение и преобразование энергии.

“Полученные в ходе этого исследования знания имеют огромное значение для разработки электродов и проводников, используемых в передовых электрохимических устройствах. Они позволяют связать временные и частотные характеристики отклика материалов”, – отмечает один из авторов, профессор Анис Аллаги, специалист в области хранения энергии и суперконденсаторов из Университета Шарджи.

Профессор Аллаги подчеркнул, что исследование, основанное на теории фракционной диффузии, углубляет понимание переходных процессов заряда в сложных материалах. Это, в свою очередь, является ключом к проектированию высокопроизводительных компонентов для современных инженерных электрохимических систем.

“Наша работа предоставляет количественный способ связать микроскопическую динамику в сложных системах с макроскопическими, измеримыми переменными”, – добавил профессор Аллаги. “Улучшая понимание переходных процессов заряда, исследование прокладывает путь к созданию смешанных ионно-электронных проводников с улучшенными характеристиками, такими как более быстрая зарядка, повышенная плотность энергии и увеличенный срок службы.”

Усовершенствование функций и операций электрохимических устройств критически важно для развития энергетических технологий. Это касается не только высокопроизводительных аккумуляторов, суперконденсаторов и топливных элементов, но и биоэлектронных и нейроморфных схем.

“Понимание динамики переноса заряда в этих материалах имеет решающее значение для оптимизации производительности устройств”, – говорит профессор Аллаги. Изначально основной целью авторов было расширение академических знаний. Однако, по словам профессора, “потенциальные применения результатов исследования представляют значительный интерес для отраслей, связанных с технологиями хранения и преобразования энергии”.

“Компании и учреждения, специализирующиеся на разработке более эффективных и устойчивых энергетических решений, могут найти ценные сведения в этом исследовании для будущих инноваций в материалах и проектировании устройств”, – отмечает он. Авторы исследования утверждают, что их работа “создает прочную экспериментальную и теоретическую основу для анализа субдиффузионного ионного транспорта в системах MIEC (смешанные ионно-электронные проводники)”, – класс материалов, критически важных для передовых электрохимических приложений.

“Полученные нами знания предлагают общие принципы проектирования для оптимизации производительности устройств на основе смешанных проводников, особенно там, где ионная динамика является лимитирующим фактором или желательны эффекты памяти”, – пишут авторы. Работа фокусируется на исследовании сложного поведения смешанных ионно-электронных проводников (MIEC), которые играют центральную роль в развивающихся технологиях хранения и преобразования энергии, биоэлектронике и нейроморфных системах. Хотя фундаментальная физика этих материалов относительно хорошо изучена, переходные механизмы, управляющие их динамикой заряда, остаются малоизученными.

Анализ авторов показал, что ионный транспорт в более тонких пленках MIEC демонстрирует более быстрое поведение при заряде и разряде, следуя закону масштабирования, ограниченному толщиной, что точно предсказывается моделью фракционной диффузии. Кроме того, исследование демонстрирует, что фракционный импеданс служит практическим диагностическим инструментом для выявления диффузионного поведения и уточнения рабочих параметров устройства.

“Мы представляем новый подход, применяя модели фракционной диффузии, которые учитывают эффекты памяти и нелокальные взаимодействия, для лучшего описания динамических процессов заряда в MIEC”, – подчеркнул профессор Аллаги. Авторы отмечают, что MIEC играют важную роль не только в хранении энергии, но и в биоэлектронике и нейроморфных вычислениях. “Понимание динамики переноса заряда в этих материалах критически важно для оптимизации производительности устройств”, – указывают они.

“Эти знания служат мостом между теоретической электрохимией и практическим проектированием устройств, демонстрируя, как можно управлять размерностью транспорта путем настройки толщины и морфологии пленки”, – пишут авторы. “Наш подход объединяет электрохимическую теорию и практические эксперименты, предлагая надежный и воспроизводимый метод количественной оценки аномальной динамики заряда диффузии в устройствах на основе MIEC.” Авторы вновь подчеркивают, что их работа “закладывает основу для будущих исследований по настройке ионно-электронной связи через структурный контроль и стимулирует интеграцию фракционных моделей в моделирование устройств и проектирование энергетических и электронных устройств нового поколения”.