Новый аккумулятор из лития заряжается за считанные минуты более 6000 циклов

Исследователи из Гарвардской школы инженерии (SEAS) разработали новую литий-металлическую аккумуляторную батарею (АКБ), которую можно заряжать и разряжать минимум 6000 раз. Такая долговечность превышает показатели любого другого твердотельного аккумулятора. К тому же новинку можно перезарядить за считанные минуты.


В отчёте разработчиков, опубликованном в издании Nature Materials, описан способ изготовления твердотельных аккумуляторов с литий-металлическим анодом. Объяснил преимущества концепции Синь Ли, доцент кафедры материаловедения SEAS и старший автор статьи. Литий-металлические АКБ считаются крайне заманчивой идеей, потому что их ёмкость в десять раз превышает аналогичный показатель коммерческих графитовых анодов, и они могут значительно увеличить, например, запас хода электромобилей. Вот почему проведённое исследование — значительный рывок на пути к созданию более практичных твердотельных АКБ для промышленного и коммерческого применения, прокомментировал учёный.

Учёным-аккумуляторщикам мешали создать этот Святой Грааль практические препятствия. Одна из наибольших проблем при воплощении идеи таких аккумуляторов — нарастание дендритов на аноде. По форме похожие на корни растений, эти образования ветвятся в электролите и проникают сквозь барьер между анодом и катодом. Результат появления дендритов в батарее — короткое замыкание и даже возгорание.

Дендриты возникают, когда ионы лития перемещаются от катода к аноду при зарядке, закрепляясь на аноде. Явление это называют осаждением лития или литиированием. Литиевое покрытие на аноде формирует корявую поверхность, напоминающую зубной налёт. Процесс динамический, вроде «туда-сюда-обратно», то есть при разрядке элементов питания ионы лития переносятся от анода к катоду. Но, покидая анод, могут оставлять неровности, так что при следующей зарядке маленький дендрит будет ещё более корявым и неравномерным, с тенденцией к дальнейшему увеличению.

В 2021 году Синь Ли с коллегами предложили способ борьбы с дендритами: они разработали многослойную батарею, добавив между анодом и катодом несколько материалов с различными характеристиками. Многослойность предотвратила вольготный рост литиевых дендритов, как бы контролируя и сдерживая их.

Разработчики предотвратили образование дендритов, использовав для анода частицы кремния микронного размера, чтобы ограничить реакцию литиирования и способствовать однородности слоя оседающего металла.

В новой конструкции ионы лития, естественно, тоже движутся от катода к аноду при зарядке, но реакция литиирования происходит ограниченно и на минимальной поверхности, причём ионы щелочного металла пристают к частицам кремния без дальнейшего заглубления в анод. Достижение существенно отличается по химсоставу от жидких литий-ионных аккумуляторов — в последних ионы лития по мере повторения динамической реакции в конце концов разрушают кремний в аноде.

А в разработанном твердотельном аккумуляторе литиирование происходит так, что металл оседает вокруг кремниевой сердцевины. Ли привёл по этому поводу кондитерское сравнение: якобы в новой конструкции батареи металлический литий обволакивает частицы кремния, как начинка в шоколадном трюфеле — ядро фундука.

Причём такие кремниевые частицы с литиевым покрытием отличаются однородной поверхностью. Это означает, что плотность тока по ней распределяется равномерно и тем самым предотвращает рост дендритов. А поскольку нарастание покрытия и убывание покрытия с ровной поверхности происходит быстро, аккумулятор может зарядиться всего за 10 минут.

Исследователи создали в качестве образца аккумулятор размером с почтовую марку. Аккумулятор сохранил 80% своей ёмкости после 6000 циклов работы, что побивает показатели АКБ, распространённых сегодня на рынке. Технологию уже лицензировали. В документах описана методика создания аккумуляторной батареи габаритами вплоть до величины смартфона.