Литий-металлические аккумуляторы отличаются от стандартных литий-ионных аналогов заменой графитового анода на металлический литий. Как пояснили исследователи в заявлении, такая конструкция обеспечивает значительно более высокую плотность энергии.
Для водителей это означает аккумуляторы с ускоренной зарядкой и увеличенным пробегом. Однако до сих пор созданию эффективных литий-металлических батарей мешали дендриты — древовидные кристаллические структуры, образующиеся на аноде во время зарядки. Они ухудшают производительность батареи со временем, особенно при быстрой зарядке, и повышают риск короткого замыкания.
В новом исследовании, опубликованном 3 сентября в журнале Nature Energy, учёные представили способ подавления роста дендритов.
Ключом к решению стал новый тип жидкого электролита. Этот «когезионно-ингибирующий» электролит не только останавливает формирование дендритов, но и повышает скорость зарядки, увеличивая срок службы батарей до более чем 300 000 км, как утверждают авторы работы.
И литий-ионные, и литий-металлические батареи содержат жидкий электролит, переносящий ионы лития между катодом и анодом. Основное различие между ними — замена графита в литий-ионных батареях на металлический литий.
Плотность энергии — параметр, определяющий количество энергии, которое батарея может хранить относительно своего веса или объёма. Это критически важно для увеличения пробега электромобилей на одном заряде.
Учёные выяснили, что причина роста дендритов кроется в «неравномерной когезии на поверхности лития». Ионы лития осаждаются на аноде хаотично, создавая зоны нестабильности, где и начинают формироваться дендриты.
Решение проблемы — электролит, химическая структура которого способствует равномерному распределению ионов. В лабораторных тестах батарея заряжалась с 5% до 70% за 12 минут и сохраняла эту скорость в течение 350 циклов. Более ёмкая версия достигла 80% заряда за 17 минут за 180 циклов.
«Это исследование заложило основу для преодоления технических ограничений литий-металлических батарей через понимание структуры поверхности. Мы преодолели главное препятствие на пути их внедрения в электромобили», — заявил соавтор исследования Хи Так Ким, профессор химической и биомолекулярной инженерии KAIST.
Перспективы и дальнейшие шаги
Успех эксперимента открывает путь к коммерциализации технологии. Аналитики прогнозируют, что первые серийные образцы могут появиться на рынке уже через 3–5 лет. Такие компании, как Tesla и BYD, проявляют интерес к подобным разработкам, стремясь сократить время зарядки и повысить конкурентоспособность своих электромобилей. Кроме того, технология может революционизировать не только автоиндустрию, но и сектор портативной электроники, а также системы хранения энергии для возобновляемых источников. Однако перед массовым внедрением предстоит решить вопросы масштабирования производства и снижения стоимости материалов.
