Как любой чемпион, слишком долго удерживающий первенство, литий-ионный аккумулятор переживает застой. На протяжении десятилетий он остаётся предпочтительным решением для всего: от смартфонов до электромобилей и дронов, — и его конструкция многократно дорабатывалась для повышения энергоёмкости и производительности. Но, по мнению некоторых учёных, эти улучшения приближаются к своим теоретическим пределам. Даже лучшие модели склонны быстро разряжаться на холоде, стремительно терять ёмкость или — как в случае с аккумуляторами в бытовых устройствах — самопроизвольно воспламеняться.
В то же время спрос на аккумуляторы никогда не был выше. Ожидается, что 30 % автомобилей, проданных в 2026 году, будут электромобилями (EV), работающими на таких батареях. В прошлом году американские дома и предприятия установили рекордное количество крупных аккумуляторов. По данным консалтинговой компании Wood Mackenzie, к концу десятилетия объёмы установок могут вырасти почти на 40 %. Отчаянно требуются достойные конкуренты.
Достижения в области материаловедения наконец делают их более доступными. Производители аккумуляторов модифицируют существующие материалы и создают новые комбинации, чтобы разработать батареи, которые хранят больше энергии, но при этом безопаснее и стабильнее любых существующих на рынке решений. Корона литий-ионного аккумулятора может перейти к другому претенденту.
Когда обычный литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются от катода к аноду; при разрядке они возвращаются обратно. Среда, через которую перемещаются ионы, называется электролитом — обычно это легковоспламеняющийся органический растворитель, пропитывающий все компоненты батареи. В твердотельных же аккумуляторах анод, катод и электролит спрессованы вместе в виде пластин. Это позволяет разместить больше проводящих материалов в том же пространстве, обеспечивая энергоёмкость до 500 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг) по сравнению с примерно 300 Вт·ч/кг у жидких электролитов. Кроме того, такие батареи менее склонны к возгоранию.
Хотя твердотельные аккумуляторы изучаются десятилетиями, до сих пор исследователям удавалось создавать лишь миниатюрные версии для таких устройств, как медицинские импланты. Самое серьёзное препятствие на пути их масштабирования — хрупкость. При зарядке и разрядке ионы многократно внедряются в материал электрода. Это заставляет аккумулятор расширяться и сжиматься, создавая пустоты между компонентами, которые могут привести к растрескиванию и деформации. В результате замедляется движение ионов и ухудшается производительность батареи.
В январе исследователи из Шэньчжэньского института передовых технологий (входит в Китайскую академию наук) сделали большой шаг к решению проблемы хрупкости. Они создали высокоэффективный материал электролита, поочерёдно укладывая слои керамики толщиной 1–100 нм с такими же тонкими листами полимера. Затем стопку разместили перпендикулярно поверхности электродов — как слоёный торт, положенный набок. Сама по себе керамика — хороший проводник, но склонна к растрескиванию. Полимер, в свою очередь, гибкий, но плохой проводник. Комбинация позволила ионам двигаться так же плавно, как в лучших существующих твердотельных электролитах, но с гораздо меньшей склонностью к растрескиванию.
Есть и другие проблемы, которые предстоит преодолеть. При зарядке и разрядке на поверхности электродов могут расти нитевидные кристаллы, известные как дендриты, что приводит к растрескиванию и, в конечном итоге, к коротким замыканиям. Учёные долгое время считали, что они образуются, когда избыточные ионы лития с катода накапливаются на поверхности анода (вместо того чтобы поглощаться). Очевидное решение — более прочные материалы электродов, устойчивые к растрескиванию. Однако в статье, опубликованной в марте, команда под руководством исследователей из Массачусетского технологического института пришла к выводу, что это представление ошибочно. По их словам, дендриты растут, когда химические реакции изменяют свойства электрода, ослабляя его. Это означает, что учёным следует искать электроды с большей химической стабильностью, а не только с высокой прочностью.
Материаловедение также может сделать твердотельные батареи быстрее. В обычных полимерных электролитах ионы могут двигаться только с той скоростью, которую позволяют окружающие сегменты полимера. Группа из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси (входит в Министерство энергетики США) нашла способ разделить эти два процесса. Они добились этого, добавив химические соединения, называемые цвиттер-ионами, к сегментам полимера, которые обычно являются плохими проводниками. Хотя цвиттер-ионы — нейтральные молекулы, у них есть заряженные области, способные ускорять движение ионов. Результаты команды показали, что такая конфигурация может увеличить скорость движения ионов через электролит в 10 млрд раз. Будущие тесты покажут, как это работает в реальной ячейке.
Одно из примечательных преимуществ твердотельных электролитов заключается в том, что они открывают возможности для использования материалов, отличных от лития. Особенно привлекательны натрий-ионные батареи, в которых литий в катоде заменён на натрий. Натрий не только дешевле и стабильнее лития, но и встречается в земной коре в 1 000 раз чаще. К сожалению, атомы натрия крупнее и тяжелее атомов лития, из-за чего они вряд ли смогут внедряться в обычные графитовые электроды. В результате получается более тяжёлый аккумулятор, способный хранить меньше энергии. Хотя улучшенные электроды могут исправить ситуацию — например, твёрдый углерод, способный поглощать ионы натрия в своей губчатой структуре, превосходит графит, — подходящих жидких электролитов пока не найдено.
С твёрдым электролитом работать будет проще. Во-первых, сниженный риск образования дендритов в твердотельных батареях позволит изготавливать аноды из высокореактивного металлического натрия. Это позволит хранить больше энергии на килограмм, чем сейчас. Если батарея с анодом из твёрдого углерода имеет энергоёмкость около 175 Вт·ч/кг, то аноды из металлического натрия могут обеспечить плотность ближе к 500 Вт·ч/кг.
Чтобы ещё больше повысить ёмкость твердотельной натрий-ионной батареи, исследователи экспериментируют с полным удалением анода. Это создаст пространство для более толстого катода, который можно будет наполнить большим количеством натрия, что, в свою очередь, увеличит запас энергии. Удаление анода не обязательно приведёт к выходу батареи из строя. Во время зарядки ионы натрия будут перемещаться от катода к другому компоненту батареи, известному как токосъёмник, где они будут накапливаться до начала разрядки. Фактически анод создаётся в процессе работы батареи.
Стремительный темп прогресса — результат поистине глобальной конкуренции за создание лучшей твердотельной конструкции, говорит Ширли Мэн, учёный-материаловед из Чикагского университета. Соревнование также может революционизировать способы производства батарей. Сейчас аккумуляторы с жидкими электролитами изготавливают, погружая электроды в ванны с растворителями и затрачивая огромное количество энергии на их сушку. При таком способе твердотельные батареи приобретают микропоры на поверхности, что повышает вероятность сбоев. Более толстые электроды также сложнее изготавливать, поскольку они сохнут неравномерно.
Так называемое производство сухих электродов — при котором сухие порошки прессуются для формирования твёрдых батарей — становится всё более серьёзным направлением. Испытания показали, что этот метод сокращает энергопотребление примерно вдвое, а производственные затраты — примерно на пятую часть, одновременно повышая общую производительность батарей. Многие компании, включая Tesla (производителя батарей и электромобилей) и LG Energy Solution (южнокорейского производителя аккумуляторов), соревнуются за то, чтобы первыми довести эту технологию до совершенства.
Отделить ажиотаж от реальности непросто. Но последние разработки означают, что амбициозные обещания могут быть выполнены. Китайский Contemporary Amperex Technology, крупнейший в мире производитель аккумуляторов, заявил, что начнёт выпускать твердотельные батареи к 2027 году и планирует запустить первый электромобиль на натрий-ионных батареях к середине этого года. Южнокорейская компания Samsung заявила, что начнёт массовое производство твердотельных батарей к 2027 году, японский автопроизводитель Toyota дал аналогичное обещание. Американский автопроизводитель Ford Motors в этом месяце запустил подразделение по производству батарей и планирует к следующему году поставлять крупногабаритные аккумуляторы для дата-центров и промышленных предприятий. В сфере производства батарей сейчас поистине захватывающие времена.
Источник: тк The Bugged