Fast Charging Batteries, at Last! / Batterie che si caricano  velocemente, finalmente!

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Drexel University researchers have developed two new electrode designs, using MXene material, that will allow batteries to charge much faster. The key is a microporous design that allows ions to quickly make their way to redox active sites. Image credit: Drexel University

I ricercatori dell'Università di Drexel hanno sviluppato due nuovi progetti di elettrodi, utilizzando il materiale MXene, che consentirà di ricaricare le batterie molto più velocemente. Il segreto è un progetto microporoso che permette agli ioni di percorrere rapidamente il loro cammino verso siti attivi redox. Credito immagine: Università di Drexel


We know how annoying and stressful it is to charge your smartphone when it has lost its charge. You have to wait too long for the device to be operational again. Now, imagine that you can charge it in just a few seconds.
The speed of charging a battery is a function of the voltage and/or the current applied to it. Theoretically, you can either increase the voltage or the current being supplied during the charging cycle in order to reduce the charging time. Increasing the voltage (which is equivalent to increasing the current for a fixed resistance), however, is a bad idea. Your battery can catch fire. Increasing the current is also not very practical because the manufacturer sets a limit on the size of the current because chemical batteries do not have enough storage to keep the charges produced by the current.
These storage locations are ports called "redox active sites" and they are located in the electrodes. Thus, if we can create electrodes with materials that have more ports, we can store more energy. At the same time, electrodes with more ports will allow ions to quickly fill the ports without interference. However, changing the type of electrodes that hold more ports has been an elusive task, until now.
A team of researchers at Drexel University in Philadelphia, led by Yury Gogotsi, Ph.D, Distinguished University and Bach Professor in Drexel's College of Engineering in the Department of Materials Science and Engineering, created a new electrode design from a two-dimensional, highly conductive material called MXene that was discovered by researchers in Drexel's Department of Materials Science and Engineering in 2011. The results of the research were published on July 10, 2017, in the journal Nature Energy.
"This paper refutes the widely accepted dogma that chemical charge storage, used in batteries and pseudocapacitors, is always much slower than physical storage used in electrical double-layer capacitors, also known as supercapacitors," Gogotsi said. "We demonstrate charging of thin MXene electrodes in tens of milliseconds. This is enabled by the very high electronic conductivity of MXene. This paves the way to the development of ultrafast energy storage devices that can be charged and discharged within seconds, but store much more energy than conventional supercapacitors."
The idea to improve the speed and storage capabilities of chemical batteries started when Dr. Patrice Simon and Zifeng Lin from Université Paul Sabatier in France, partnered in the Drexel University project. They designed an electrode made of a hydrogel — a hydrophilic polymer — with many redox active sites that allows the storage of as much charge for its volume as a whole battery. Then, the Drexel-led group decided to improve this electrode by creating an architecture that holds many small openings (macroporosity) to ease the path of the ions moving toward the electrodes.
"In traditional batteries and supercapacitors, ions have a tortuous path toward charge storage ports, which not only slows down everything, but it also creates a situation where very few ions actually reach their destination at fast charging rates," said Maria Lukatskaya, a graduate student in Drexel's MAX/MXene Research Group and the first author of the paper, who conducted the research as part of the A.J. Drexel Nanomaterials Institute. "The ideal electrode architecture would be something like ions moving to the ports via multi-lane, high-speed 'highways,' instead of taking single-lane roads. Our macroporous electrode design achieves this goal, which allows for rapid charging — on the order of a few seconds or less."
The results of this development are significant, not only for the improvement of the charging process of smart phones and similar mobile devices but it also helps to improve the expansion of the electric vehicle charging process. "If we start using low-dimensional and electronically conducting materials as battery electrodes, we can make batteries working much, much faster than today," Gogotsi said. "Eventually, appreciation of this fact will lead us to the car, laptop and cell-phone batteries capable of charging at much higher rates — seconds or minutes rather than hours."

ITALIANO

Sappiamo quanto sia fastidioso e stressante caricare lo smartphone quando ha perso la sua carica. Devi aspettare troppo a lungo per far funzionare nuovamente il dispositivo. Ora, immaginate di poterlo ricaricare in pochi secondi.
La velocità di carica di una batteria è una funzione della tensione e / o della corrente applicata ad essa. Teoricamente, è possibile aumentare la tensione o la corrente fornita durante il ciclo di carica per ridurre il tempo di carica. L'aumento della tensione (che equivale ad aumentare la corrente per una resistenza fissa), tuttavia, è una cattiva idea. La batteria si può incendiare. L'aumento della corrente non è altrettanto pratico perché il costruttore stabilisce un limite alla dimensione della corrente perché le batterie chimiche non hanno abbastanza spazio per mantenere le cariche elettriche generate dalla corrente elettrica.
Queste posizioni di memorizzazione sono porte chiamate "siti attivi redox" e si trovano negli elettrodi. Quindi, se possiamo creare elettrodi con materiali che dispongono di più porte, possiamo conservare più energia. Allo stesso tempo, gli elettrodi con più porte consentono agli ioni di riempire rapidamente le porte senza interferenze. Tuttavia, cambiando il tipo di elettrodi che dispongono di più porte è stato un compito inafferrabile, finora.
Un gruppo di ricercatori dell'Università Drexel di Philadelphia, guidato da Yury Gogotsi, Ph.D, Distinguished University e Professore di Bach nel Drexel's College of Engineering nel Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria, ha creato un nuovo progetto di elettrodi da due dimensioni, materiale altamente conduttore chiamato MXene che è stato scoperto dai ricercatori nel Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Materiali di Drexel nel 2011. I risultati della ricerca sono stati pubblicati il ​​10 luglio 2017 nella rivista Nature Energy.
"Questo documento confuta il dogma ampiamente accettato che l'accumulo di ricariche chimiche, utilizzato nelle batterie, sia sempre molto più lento di quello fisico utilizzato nei condensatori elettrici a doppio strato, noti anche come super capacità", ha detto Gogotsi. "Dimostriamo la ricarica di sottili elettrodi MXene in decine di millisecondi, grazie all'elevata conduttività elettronica di MXene, che apre la strada allo sviluppo di dispositivi di memorizzazione ultra veloci di energia che possono essere caricati e scaricati in pochi secondi, ma conservano molto di più l'energia rispetto ai super capacità convenzionali ".
L'idea di migliorare la velocità e le capacità di stoccaggio delle batterie chimiche ha avuto inizio quando Dr. Patrice Simon e Zifeng Lin dell'Université Paul Sabatier in Francia hanno collaborato al progetto Drexel University. Hanno progettato un elettrodo fatto di un idrogelo - un polimero idrofilo - con molti siti attivi redox che consente di conservare tanta carica per il suo volume come una batteria intera. Quindi il gruppo condotto da Drexel ha deciso di migliorare questo elettrodo creando un'architettura che contiene tante piccole aperture (macroporosità) per facilitare il cammino degli ioni che si muovono verso gli elettrodi.
"Nelle batterie tradizionali e nei supercapacitori, gli ioni hanno un percorso tortuoso verso i punti di stoccaggio delle cariche elettriche, che non solo rallenta tutto, ma crea anche una situazione in cui pochi ioni raggiungono la loro destinazione a velocità di ricarica" ​​ha dichiarato Maria Lukatskaya Studente nel gruppo MAX / MXene Research di Drexel e il primo autore dell'articolo, che ha condotto la ricerca come parte del AJ Drexel Nanomaterials Institute. "L'architettura ideale dell'elettrodo sarebbe qualcosa di simile agli ioni che si spostano verso le porte attraverso autostrade ad alta velocità, a più corsie", invece di prendere strade a corsia singola. Il nostro progetto dell'elettrodo macroporoso raggiunge questo obiettivo, che consente una rapida ricarica dell'ordine di pochi secondi o meno ".
I risultati di questo sviluppo sono notevoli, non solo per il miglioramento del processo di ricarica di telefoni intelligenti e dispositivi mobili simili, ma aiuta anche a migliorare l'espansione del processo di carica del dispositivo elettrico. "Se iniziamo a utilizzare materiali a bassa dimensionalità e elettronicamente come elettrodi per batterie, possiamo rendere le batterie funzionanti molto più velocemente di oggi", ha detto Gogotsi. "Alla fine, l'apprezzamento di questo fatto ci porterà alle batterie per auto, laptop e cellulari in grado di ricaricare a velocità molto più alte - secondi o minuti piuttosto che ore".


Da:

http://electronics360.globalspec.com/article/9292/fast-charging-batteries-at-last?id=%2D1474234620&uh=f9d092&email=giuseppe%2Ecotellessa%40enea%2Eit&md=170807&mh=dbacd9&Vol=Vol7Issue4&Pub=86&LinkId=1878172&keyword=link%5F1878172&et_rid=1808050309&et_mid=83513358&frmtrk=newsletter&cid=nl