В эпоху, когда спрос на эффективные и устойчивые системы хранения энергии достиг своего пика, революционная разработка Школы инженерии и прикладных наук Гарвардского университета задала новый стандарт в области аккумуляторных технологий. Исследователи представили новый литий-металлический аккумулятор, способный выдерживать не менее 6000 циклов зарядки и разрядки и полностью заряжаться всего за несколько минут. Это революционное достижение не только обещает изменить подход к использованию аккумуляторов, но и открывает путь к более практичному применению в таких областях, как электромобили.
В основе данного исследования лежит создание твердотельных аккумуляторов с использованием литий-металлических анодов – метода, который открыл новые возможности для разработки материалов для потенциально революционных аккумуляторов. Исследование, недавно опубликованное в журнале «Nature Materials», подчёркивает значительный прогресс в изучении и применении литий-металлических анодов. Автор статьи, Синь Ли, отметил: «Аккумуляторы с литий-металлическими анодами считаются Святым Граалем среди аккумуляторов. Их ёмкость в десять раз превышает ёмкость коммерческих графитовых анодов, что потенциально значительно увеличивает запас хода электромобилей. Наше исследование знаменует собой важный шаг на пути к более практичным твердотельным аккумуляторам для промышленного и коммерческого применения».
Одной из самых серьёзных проблем при разработке таких аккумуляторов было образование дендритов на поверхности анода. Эти корневидные структуры растут в электролите, прокалывая барьер, разделяющий анод и катод, что приводит к коротким замыканиям и даже возгораниям. В 2021 году Ли и его команда решили эту проблему, разработав многослойный аккумулятор, в котором между анодом и катодом были размещены различные материалы с различной стабильностью. Такая многослойная конструкция, состоящая из нескольких материалов, не полностью блокировала литиевые дендриты, но контролировала и сдерживала их проникновение.
В своих последних исследованиях группа добилась дальнейшего прогресса, внедрив в анод кремниевые частицы микрометрового размера. Такой подход сокращает время реакции литиирования и способствует равномерному гальваническому осаждению толстого слоя металлического лития, эффективно предотвращая образование дендритов. Более того, гальваническое осаждение и зачистка могут происходить быстро на плоских поверхностях, что позволяет полностью зарядить аккумулятор всего за 10 минут.
В ходе экспериментальной фазы была создана батарея-пакет размером с почтовую марку, в 10–20 раз больше большинства батареек-таблеток, производимых в университетских лабораториях. Примечательно, что эта батарея сохраняла 80% своей ёмкости даже после 6000 циклов, превосходя другие батареи-пакеты, представленные на рынке.
Это нововведение Гарварда — не просто академическое достижение; оно знаменует собой значительный шаг вперёд в технологии аккумуляторов. Благодаря повышенной ёмкости, безопасности и эффективности, литий-металлический аккумулятор, разработанный Ли и его командой, способен произвести революцию в области хранения и использования энергии, особенно в электромобилях, что станет важной вехой на нашем пути к более устойчивому и энергоэффективному будущему.
Время публикации: 12 января 2024 г.
