В эпоху, когда спрос на эффективные и устойчивые системы хранения энергии находится на пике, новаторская разработка Школы инженерии и прикладных наук Гарвардского университета установила новый стандарт в области аккумуляторных технологий. Исследователи представили новую литий-металлическую батарею, способную выдерживать не менее 6000 циклов зарядки и разрядки и полностью заряжаться за считанные минуты. Это революционное достижение не только обещает изменить способ использования батарей, но и открывает путь для более практического применения в таких отраслях, как электромобили.
Суть этого исследования заключается в создании твердотельных батарей с использованием литий-металлических анодов — метода, который открыл новые возможности в области материалов для потенциально революционных батарей. Исследование, недавно опубликованное в журнале «Nature Materials», подчеркивает значительные успехи в понимании и использовании литий-металлических анодов. Синь Ли, автор статьи, отметил: «Батарейки с литий-металлическими анодами считаются священным Граалем среди батарей. Они обладают емкостью в десять раз большей, чем у коммерческих графитовых анодов, что потенциально может значительно увеличить запас хода электромобилей. Наше исследование знаменует собой важный шаг на пути к созданию более практичных твердотельных батарей для промышленного и коммерческого применения».
Одной из самых больших проблем при проектировании таких батарей было образование дендритов на поверхности анода. Эти корнеподобные структуры растут в электролите, прокалывая барьер, разделяющий анод и катод, что приводит к короткому замыканию батареи и даже к возгоранию. В 2021 году Ли и его команда решили эту проблему, разработав многослойную батарею, в которой между анодом и катодом были размещены различные материалы с разной стабильностью. Эта многослойная конструкция из нескольких материалов не полностью блокировала образование литиевых дендритов, но контролировала и сдерживала их проникновение.
В своих последних исследованиях команда добилась дальнейших успехов, внедрив в анод частицы кремния микрометрового размера. Такой подход уменьшает размер зоны реакции литирования и способствует равномерному электроосаждению толстого слоя литиевого металла, эффективно предотвращая образование дендритов. Более того, процессы электроосаждения и удаления покрытия могут происходить быстро на плоских поверхностях, что позволяет полностью зарядить батарею всего за 10 минут.
На экспериментальном этапе была создана батарейка в виде пакета размером с почтовую марку, в 10-20 раз больше, чем большинство батареек-таблеток, производимых в университетских лабораториях. Примечательно, что эта батарейка сохранила 80% своей емкости даже после 6000 циклов, превзойдя по характеристикам другие батарейки в виде пакетов, представленные в настоящее время на рынке.
Это нововведение из Гарварда — не просто академическое достижение; оно знаменует собой значительный шаг вперед в технологии производства батарей. Благодаря увеличенной емкости, безопасности и эффективности, литий-металлическая батарея, разработанная Ли и его командой, обладает потенциалом для революционизации хранения и использования энергии, особенно в электромобилях, что является важной вехой на нашем пути к более устойчивому и энергоэффективному будущему.
Дата публикации: 12 января 2024 г.
