В эпоху, когда спрос на эффективное и устойчивое хранение 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 заряда и разряда и обладающую способностью полностью заряжаться всего за несколько минут. Это революционное достижение не только обещает изменить способ использования аккумуляторов, но и прокладывает путь для более практичного применения в таких отраслях, как электромобили.
Суть этого исследования заключается в изготовлении твердотельных батарей с использованием литий-металлических анодов, метод, который предложил новое понимание материалов для потенциально революционных батарей. Исследование, недавно опубликованное в «Nature Materials», подчеркивает значительные успехи, достигнутые в понимании и использовании литий-металлических анодов. Синь Ли, автор статьи, заметил: «Литий-металлические анодные батареи считаются святым Граалем батарей. Они обладают емкостью в десять раз больше, чем у коммерческих графитовых анодов, что потенциально значительно увеличивает дальность хода электромобилей. Наше исследование знаменует собой важный шаг к более практичным твердотельным батареям в промышленных и коммерческих приложениях».
Одной из самых больших проблем при проектировании этих батарей было образование дендритов на поверхности анода. Эти корневидные структуры растут в электролите, прокалывая барьер, разделяющий анод и катод, что приводит к коротким замыканиям батареи и даже возгораниям. В 2021 году Ли и его команда решили эту проблему, спроектировав многослойную батарею, разместив различные материалы различной стабильности между анодом и катодом. Эта многослойная, многоматериальная конструкция не полностью блокировала литиевые дендриты, но контролировала и сдерживала их проникновение.
В своем последнем исследовании команда добилась дальнейших успехов, включив в анод частицы кремния микрометрового размера. Такой подход сокращает реакцию литиирования и способствует равномерному гальванопокрытию толстого слоя лития, эффективно предотвращая образование дендритов. Более того, процессы гальванопокрытия и зачистки могут происходить быстро на плоских поверхностях, что позволяет полностью зарядить аккумулятор всего за 10 минут.
На экспериментальной фазе была создана батарея-пакет размером с почтовую марку, в 10-20 раз больше, чем большинство батареек-монет, производимых в университетских лабораториях. Примечательно, что эта батарея сохранила 80% своей емкости даже после 6000 циклов, превзойдя другие батареи-пакеты, представленные на рынке в настоящее время.
Это нововведение Гарварда — больше, чем просто академическое достижение; оно знаменует собой большой скачок вперед в технологии аккумуляторов. Благодаря своей повышенной емкости, безопасности и эффективности литий-металлическая батарея, разработанная Ли и его командой, обладает потенциалом для революции в хранении и использовании энергии, особенно в электромобилях, что является важной вехой на нашем пути к более устойчивому и энергоэффективному будущему.
Время публикации: 12 января 2024 г.
