Зарядка літій-іонних батарей прискорилася в 10 разів: як ученим це вдалося

У США вчені змінили структуру твердотільних літій-іонних батарей, прискоривши зарядку в 10 разів. Вони поділилися результатами дослідження в статті, опублікованій науковим журналом Joule.

Дослідники з Чиказького університету виявили, що продуктивність акумуляторів сильно залежить від текстури металів, з яких їх роблять. Це відкриття може значно поліпшити характеристики акумуляторних батарей, які використовують мобільні пристрої, електромобілі та інша техніка.

Як пояснив доцент Мінхао Чжан у коментарі для сайту університету, фізики додали тонкий шар кремнію між літієвим металом і струмознімачем, отримавши потрібну текстуру. Завдяки цьому швидкість заряду і розряду збільшилася майже в 10 разів.

Властивості м'яких металів, таких як літій і натрій, дозволяють використовувати їх як негативні електроди (аноди). Однак застосування лужного металевого анода в повністю твердотільних батареях було дуже складним, особливо за низького тиску. Багато досліджень присвячено вивченню літієвого покриття і росту дендритів — твердих відростків, здатних зламати конструкцію, але текстуру вивчали рідко.

У цьому випадку під "текстурою" мають на увазі орієнтацію "крупинок" або "зерен" металу, орієнтованих у певному напрямку. Для анода ідеально підходить структура, коли атоми можуть швидко переміщатися в потрібну сторону по площині. Що вища швидкість — то швидше зарядка і розрядка. Разом із текстурою м'яких металів змінюється і щільність потужності акумуляторів.

Для вивчення матеріалу вчені використали комбінацію плазмового сфокусованого іонного пучка-скануючого електронного мікроскопа (PFIB-SEM) з картуванням дифракції зворотно розсіяних електронів (EBSD). Таким чином текстуру металів до них ще ніхто не досліджував.

"Оскільки ми тепер розуміємо, як формується текстура в м'яких металах, ми передбачаємо, що металевий натрій воліє мати текстуру для швидкої атомної дифузії. Це означає, що використання натрію як анода батареї в повністю твердотільних батареях може призвести до великого прориву в майбутньому зберіганні енергії", — заявив Мінхао Чжан.

Тепер у Чиказькому університеті планують знизити тиск, що використовується при тестуванні, з 5 мегапаскалів (МПа) до 1 МПа, що є поточним галузевим стандартом для комерційно доступних акумуляторів. Вони також збираються експериментувати з текстурою натрію, яку вважають потенційною дешевою і легкодоступною заміною літію.

На думку керівника дослідження професора Ширлі Менг, створення твердотільних акумуляторів з натрієвим анодом може призвести до прориву в майбутніх системах зберігання енергії. Це відкриття може значно вплинути на розвиток електромобілів, мобільних пристроїв і систем зберігання відновлюваної енергії, зробивши їх ефективнішими і доступнішими.

Раніше команда з Університету Дьюка (США) знайшла спосіб змусити твердотільні акумулятори заряджатися швидше і служити довше. Вони використовували для цього новий матеріал — хлорид літію, фосфору і сірки.

Писали також, що в Німеччині стартап Sphere Energy представив систему штучного інтелекту Batty, здатну моделювати роботу акумулятора. Вона допоможе виробникам швидше створювати ефективні прототипи.