Зарядка литий-ионных батарей ускорилась в 10 раз: как ученым это удалось

В США ученые изменили структуру твердотельных литий-ионных батарей, ускорив зарядку в 10 раз. Они поделились результатами исследования в статье, опубликованной научным журналом Joule.

Исследователи из Чикагского университета обнаружили, что производительность аккумуляторов сильно зависит от текстуры металлов, из которых их делают. Это открытие может значительно улучшить характеристики перезаряжаемых батарей, которые используют мобильные устройства, электромобили и другая техника.

Как объяснил доцент Минхао Чжан в комментарии для сайта университета, физики добавили тонкий слой кремния между литиевым металлом и токосъемником, получив нужную текстуру. Благодаря этому скорость заряда и разряда увеличилась почти в 10 раз.

Свойства мягких металлов, таких как литий и натрий, позволяют использовать их в качестве отрицательных электродов (анодов). Однако применение щелочного металлического анода в полностью твердотельных батареях было очень сложным, особенно при низком давлении. Много исследований посвящено изучению литиевому покрытию и росту дендритов — твердых отростков, способных сломать конструкцию, но текстуру изучали редко.

В этом случае под "текстурой" подразумевают ориентацию "крупиц" или "зерен" металла, ориентированных в определенном направлении. Для анода идеально подходит структура, когда атомы могут быстро перемещаться в нужную сторону по плоскости. Чем выше скорость — тем быстрее зарядка и разрядка. Вместе с текстурой мягких металлов меняется и плотность мощности аккумуляторов.

Для изучения материала ученые использовали комбинацию плазменного фокусированного ионного пучка-сканирующего электронного микроскопа (PFIB-SEM) с картированием дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD). Таким образом текстуру металлов до них еще никто не исследовал.

"Поскольку мы теперь понимаем, как формируется текстура в мягких металлах, мы предсказываем, что металлический натрий предпочитает иметь текстуру для быстрой атомной диффузии. Это означает, что использование натрия в качестве анода батареи в полностью твердотельных батареях может привести к большому прорыву в будущем хранении энергии", — заявил Минхао Чжан.

Теперь в Чикагском университете планируют снизить давление, используемое при тестировании, с 5 мегапаскалей (МПа) до 1 МПа, что является текущим отраслевым стандартом для коммерчески доступных аккумуляторов. Они также собираются экспериментировать с текстурой натрия, которую считают потенциальной дешевой и легкодоступной заменой литию.

По мнению руководителя исследования профессора Ширли Менг, создание твердотельных аккумуляторов с натриевым анодом может привести к прорыву в будущих системах хранения энергии. Это открытие может значительно повлиять на развитие электромобилей, мобильных устройств и систем хранения возобновляемой энергии, сделав их более эффективными и доступными.

Писали также, что в Германии стартап Sphere Energy представил систему искусственного интеллекта Batty, способную моделировать работу аккумулятора. Она поможет производителям быстрее создавать эффективные прототипы.