Китайские учёные совершили прорыв в области энергетики, создав самовосстанавливающийся аккумулятор для электромобилей и телефонов с утроенным сроком службы. Исследователи из Китайской академии наук разработали новую самовосстанавливающуюся интерфейсную структуру для полностью твердотельных литиевых батарей. Эта инновация решает одну из ключевых технических проблем, десятилетиями сдерживавших коммерциализацию данных энергетических систем.
Исследование, опубликованное 7 октября, подробно описывает, как команда создала механизм, подобный «жидкому уплотнителю», который автоматически заполняет микроскопические зазоры внутри твердотельного аккумулятора. Это нововведение устраняет необходимость в громоздком оборудовании и экстремальном внешнем давлении, от которых зависят современные конструкции для поддержания стабильности. В отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, в которых используются легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, твердотельные батареи применяют твёрдый материал для перемещения электрического заряда между электродами. Этот переход не только устраняет риск утечки или возгорания, но и позволяет использовать чистый литий-металл — материал, способный хранить в два-три раза больше энергии, чем современные компоненты батарей. Однако твердотельные аккумуляторы долгое время сталкивались с устойчивой проблемой: их жёсткие слои со временем разделяются из-за расширения и сжатия материалов во время зарядки, что нарушает поток электричества и сокращает срок службы.
Для преодоления этого китайская команда внедрила ионы йода в твёрдый электролит. Когда аккумулятор работает, эти ионы мигрируют к границе раздела между электродом и электролитом, формируя тонкий йодобогащённый слой. Этот слой активно притягивает ионы лития и автоматически заполняет микротрещины и поры, которые образуются в процессе использования. В результате получается самовосстанавливающийся интерфейс, который удерживает слои плотно соединёнными без какого-либо внешнего давления.
Чуньшэн Ван, эксперт по твердотельным батареям из Университета Мэриленда, не участвовавший в исследовании, заявил, что новый подход «решил ключевое узкое место, долгое время препятствовавшее коммерциализации полностью твердотельных батарей, обозначив решающий шаг на пути к их практическому применению». Он пояснил, что традиционным конструкциям твердотельных аккумуляторов требуется внешнее давление более пяти мегапаскалей, что примерно равно 50 атмосферам, для сохранения стабильности. Инновация китайской команды «фундаментально изменила это положение», — сообщил он изданию Science and Technology Daily. Тесты исследователей показали, что прототипы батарей, созданные с этой новой самовосстанавливающейся структурой, сохраняли стабильную производительность после сотен циклов зарядки и разрядки. Этот процесс также проще в производстве, использует меньше материалов и может сделать будущие аккумуляторы более долговечными и легкими для масштабирования в массовом производстве.
В случае успешного масштабирования технология может революционизировать накопление энергии в множестве отраслей. Более высокая плотность энергии означает, что смартфоны смогут работать несколько дней без подзарядки, а электромобили и самолёты смогут преодолевать в два-три раза большее расстояние на одном заряде. Исследователи предупредили, что их технология всё ещё находится на ранней стадии. Крупномасштабные аккумуляторы, способные выдерживать тысячи циклов зарядки, потребуют дополнительных испытаний и доработок. В комментарии, опубликованном вместе с исследованием, Ван отметил, что будущие изыскания должны быть сосредоточены на увеличении ёмкости и доказательстве надёжности в более жёстких условиях. Тем не менее, он заявил, что самовосстанавливающаяся конструкция может «преобразовать» разработку полностью твердотельных литиевых батарей и «ускорить их крупномасштабную коммерциализацию».