На 40% больше энергии: новый электродный материал революционизирует батареи для смартфонов и электромобилей

Исследователи из Института Макса Планка разработали новый тип электрода аккумулятора, который использует чрезвычайно тонкие металлические волосы вместо традиционной металлической фольги. Этот контактный материал ускоряется в 56 раз превышает движение литиевых ионов, что позволяет создавать электроды в десять раз толще, чем обычные, не теряя скорости заряда. Это снижает затраты на производство, снижает потребление сырья и увеличивает плотность энергии электродов на 85%, а вся батарея примерно на 40%.

Электрод в одной батареи состоит из двух основных частей: контактные и активные материалы. Контактный материал проводит электрический ток. Обычно это медная фольга для отрицательного электрода и алюминиевой фольги для положительного электрода. Они не участвуют в хранении энергии, а только обеспечивают передачу электричества. Активный материал — это тот, который хранит и высвобождает литий -ионы во время зарядки и сброса батареи. В литий-ионных батареях графит чаще всего используется для отрицательных электродов и неорганических соединений, содержащих литий, для положительных электродов. Эти материалы изготовлены из пористого, так что жидкий электролит может проникнуть и участвовать в процессе зарядки.

Хотя современные активные материалы могут хранить много зарядов, они плохо справляются с ионами. Ионы должны проходить через жидкий электролит внутри активного материала. Поскольку каждый ион окружен молекулами электролита, он становится довольно большим и приобретает вязкость в электролите. Кроме того, ионы трудно пройти через сам активный материал. Это создает проблему для производителей аккумуляторов: либо изготавливать толстые электроды для большей емкости, но тогда батареи будут заряжаться и сбрасываться медленно, либо для создания очень тонких электродов, жертвуя способностью для быстрой зарядки и разбавления. Сегодня разработчики идут на компромисс, делая электроды примерно в одном из миллиметра — толщину человеческих волос.

Ученые нашли способ создать медные электроды, которые по меньшей мере в десять раз толще, чем обычные электроды, но все же обеспечивают быструю зарядку и разбавление.

Они обнаружили, что на медной поверхности ионы лития теряли свою сольватальную оболочку, оседая и образуя двойной электрический слой (слой гельмгольца) на границе с металлом. С помощью специально разработанной установки и расчетов исследователи обнаружили, что ионы лития проходят через этот слой примерно в 56 раз быстрее, чем через электролит. Это означает, что металлические поверхности сильно ускоряют движение ионов лития.

Быстрое движение ионов металлов через металлические поверхности включает в себя создание сети «металлических автомагистралей» для ионов в активном материале. Ученые сделали именно это: они сделали самые тонкие (несколько сотых миллиметра) металлических волокон и сформировали их как кучу. Затем в этой металлической куче они построили активный материал.

Этот подход сократил вдвое количество необходимого меди по сравнению с обычными электродами фольги.

Даже если электрод в десять раз толще, ионы лития все еще входят в активный материал и выходят через металлическую «кучу». Эта скорость достаточна, например, для использования в смартфонах и электромобилях. В результате плотность энергии этого электрода, по сравнению с обычными электродами фольги, может увеличиться на 85%.

Новые электроды не только более мощные, но и дешевле. Вместо сложного применения слоев активного материала с соответствующими растворителями его можно просто добавить в «кучу» в виде порошка. По словам авторов разработки, это делает производство на 30-40% дешевле и требует на одну треть меньше места. Исследователи уже основали стартап для запуска этой технологии батареи на рынке.