Учёные из Хумбольдтского университета в Берлине разработали новые анодные материалы для литий- и натрий-ионных аккумуляторов, которые демонстрируют исключительную скорость зарядки, повышенную стабильность и долгий срок службы. Ключ к этой прорывной технологии оказался в том, что выдающиеся характеристики достигаются не благодаря идеальному порядку атомов в кристаллической решётке, а, напротив, за счёт тщательно контролируемого беспорядка на атомном уровне.
В двух недавних научных статьях команда под руководством профессора Никола Пинны и доктора Патрисии Руссо показала, что намеренное разрушение длиннодиапазонного кристаллического порядка способно значительно увеличить ионную проводимость, усилить стабильность при циклической зарядке-разрядке и даже открыть принципиально новые механизмы накопления заряда в электродных материалах.
Традиционно аноды в аккумуляторах создавались с акцентом на высокоупорядоченные структуры, обеспечивавшие предсказуемые пути для движения ионов. Однако такой подход сопровождался рядом ограничений: избыточной жёсткостью, снижением подвижности ионов и падением эффективности при ускоренных режимах зарядки. Новый метод, основанный на концепции «управляемого беспорядка», предполагает целенаправленное внедрение атомной неупорядоченности, которая формирует дополнительные каналы для переноса заряда и увеличивает число активных центров накопления.
В рамках исследования были синтезированы материалы на основе ниобий-вольфрамовых оксидов с частичной дезорганизацией решётки, а также получена аморфная форма феррониобата — соединения железа и ниобия. Для литий-ионных батарей новая структура анода продемонстрировала высокую устойчивость: даже после 1 000 циклов зарядки и разрядки сохранялась значительная доля исходной ёмкости. Для натрий-ионных аккумуляторов создан новый материал, способный стабильно работать более 2 600 циклов без заметного ухудшения параметров.
Особый интерес вызывает структура синтезированного феррониобата: в публикации впервые описано применение колумбитной модификации этого соединения в качестве высокоэффективного анода для хранения натрия. Введение ионов железа вызывает локальные искажения в октаэдрах FeO₆, разрушая дальний порядок и инициируя переход материала в аморфное состояние с возможностью обратимого накопления ионов.
Одновременно в слоях NbO₆ формируются короткие зигзагообразные цепи, создающие стабильный каркас, который поддерживает структуру и предоставляет многочисленные активные участки для псевдоёмкостного хранения заряда. Такая архитектура также способствует более эффективной ионной диффузии.
Комбинация аморфных натриевых анодов и дезорганизованных литиевых позволяет рассчитывать на создание аккумуляторов с ультрабыстрой зарядкой . Это особенно важно для электромобилей нового поколения, стационарных систем хранения энергии из возобновляемых источников и разработки безопасных, надёжных аккумуляторных решений.
Учёные подчёркивают: отказ от абсолютного порядка в пользу целенаправленного беспорядка может стать новым ориентиром в проектировании аккумуляторных технологий будущего , обеспечивающих высокую плотность энергии и длительный срок службы.