Ученые, экспериментирующие с ключевыми элементами литиевых батарей, разработали новую перспективную технологию. Возможно, в один прекрасный день новая концепция позволит электромобилям заряжаться гораздо быстрее и при этом обеспечивать вдвое больший запас хода. Прорыв заключается в новом, более мощном электроде, состоящем из вертикально уложенных слоев, что позволило "лучше организовать транспортировку ионов лития".

Прорыв в области аккумуляторных технологий открывает захватывающие перспективы для эффективности будущих электромобилей. Depositphotos

Данный эксперимент проводился под руководством ученых из Техасского университета в Остине. Цель проекта - создание мощных систем хранения энергии, которые можно было бы использовать в электромобилях будущего. Один из подходов к созданию такого рода конструкций предполагает использование слоев очень тонких двумерных материалов для формирования электродов аккумулятора, однако такой метод имеет свои ограничения.

Использование более толстых электродов может обеспечить увеличение потенциала накопления энергии, но в этом случае ионам лития придется преодолевать большие расстояния. Горизонтально выровненные слои электродного материала заставляют ионы хаотично перемещаться по электродам, что приводит к увеличению времени заряда.

"Двумерные материалы принято считать перспективным кандидатом для высокоскоростных накопителей энергии, поскольку для быстрого переноса заряда их толщина должна составлять всего несколько нанометров", - рассказывает автор проекта Гуйхуа Юй. "Однако для высокоэнергетических батарей нового поколения на основе увеличенных электродов повторная укладка нанолистов в качестве строительных блоков может создать узкие места в транспортировке заряда, что приведет к проблемам как в достижении высокой энергии, так и при быстрой зарядке".

Художественная концепция нового аккумуляторного электрода. University of Texas at Austin

Чтобы одновременно достичь высоких энергий и быстрой зарядки, ученые придумали новый метод укладки слоев электродного материала. Прогресс был достигнут благодаря использованию магнитных полей с помощью, которых удалось очень точно манипулировать ориентацией таких слоев, выстраивая их в вертикальные стопки. Это позволило учёным создать "эффективное решение для массового переноса ионов через электрод".  "Наши электроды продемонстрировали превосходные электрохимические характеристики преимущественно за счет высокой механической прочности, высокой электропроводности и упрощенной транспортировки ионов лития. Это стало возможным благодаря уникальной архитектуре, которую мы разработали", - отметил соавтор эксперимента Чжэньюй Цзю.

Созданные командой электроды значительно превосходят по производительности коммерческие аналоги, а также экспериментальный аккумулятор с горизонтально уложенными электродными слоями, который использовался для контроля. Вертикально уложенный электрод можно было зарядить до 50% емкости за 30 минут, тогда как горизонтально уложенному электроду потребовалось 2 часа 30 минут, чтобы накопить заряд такой же мощности.  Исследователи утверждают, что их высокоплотный электрод обеспечивает одни из лучших показателей емкости, о которых "сообщалось в литературе", и считают, что новая технология способна привести к созданию электромобилей с вдвое большим запасом хода.

Результаты данного эксперимента были зарегистрированы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Источники: Техасский университет в Остине, журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.

1. (https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2212777119)

2. (https://news.utexas.edu/2022/09/26/magnetic-field-helps-thick-battery-electrodes-tackle-electricvehicle-challenges/)