Ученые приблизили новое поколение батарей – более выносливых, более безопасных и быстрых

Южнокорейские ученые представили новый материал для анодов литий-ионных батарей, позволяющий значительно ускорить зарядку и одновременно сохранять длительный срок службы. Исследования провели специалисты из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST), Корейского университета и Института науки и технологий KIST, а его результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials

Основой открытия стал гибридный анод, созданный из сочетания графита и наноуглеродистых органических материалов 

Такой подход помогает избегать основной проблемы быстрой зарядки – образования «мертвого лития» на поверхности батареи. Этот «мертвый» литий образуется, когда избыток ионов при быстрой зарядке оседает на аноде и больше не участвует в работе аккумулятора. Со временем это снижает емкость батареи и ускоряет ее износ

Чтобы преодолеть эту проблему, команда разработала структуру, в которой обычные частицы графита (mesocarbon microbeads, MCMB) равномерно распределены внутри изогнутых наноуглеродистых пластин из хлорированного гексабензокорона (Cl-cHBC). Такие изогнутые нанослои создают большие промежутки между частицами, что позволяет литиевым ионам проходить быстрее и равномернее. В результате процесс зарядки становится не только более быстрым, но и более безопасным для структуры батареи

Самой эффективной оказалась смесь этих двух материалов в соотношении 1:1 

В таком составе ионы лития сначала попадают в изогнутые нанослои, а затем проникают в графит. Такая последовательная вставка ионов предотвращает образование «мертвого лития» и сохраняет стабильную емкость даже при многократных быстрых зарядках

В ходе испытаний новый анод показал в четыре раза большую мощность, чем обычный графит при высоких скоростях зарядки. В полноценных батареях, собранных с катодом типа NCM811, он хранил до 70% начальной емкости после более чем тысячи циклов зарядки-разрядки. В тестовых «гибких» элементах (pouch cell) батарея с новым анодом работала стабильно более 2100 циклов с эффективностью 99%, что подтверждает ее пригодность для реального использования

Исследователи отмечают, что производство этого материала совместимо с существующими линиями изготовления батарей, поэтому его можно внедрить в массовое производство без значительных затрат. Кроме того, использование изогнутых наноуглеродных структур открывает путь к созданию новых типов аккумуляторов, в частности натрий-ионных систем, которые могут стать более доступной альтернативой литию

Команда отмечает, что обнаруженный механизм последовательного движения ионов лития может стать основой для разработки следующего поколения батарей, сочетающих быструю зарядку и высокую долговечность