Революция в электротранспорте: без анодные батареи удвоят запас хода

Представьте, что ваш электромобиль сможет проехать от Москвы до Санкт-Петербурга и обратно на одном заряде. Исследовательская группа из Южной Кореи приблизила эту реальность, разработав литий-металлический аккумулятор без анода, способный увеличить запас хода электромобилей почти вдвое при сохранении прежнего объема батареи.

Прорыв в плотности энергии

Совместная команда ученых под руководством профессора Суджин Парка и доктора Дон-Йеоба Хана из Университета науки и технологий Поханг (POSTECH), совместно с профессором Нам-Сун Чои и доктором Саехун Кимом из KAIST, а также профессором Тэ Гён Ли и исследователем Джунсу Соном из Национального университета Кёнсан, добилась впечатляющей объемной плотности энергии в 1270 Вт*ч/л. Это почти в два раза больше, чем у современных литий-ионных батарей, используемых в электромобилях, которые обычно обеспечивают около 650 Вт*ч/л. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.

Ключевое отличие без анодной батареи заключается в полном отказе от традиционного анода. Вместо этого ионы лития, хранящиеся в катоде, перемещаются во время зарядки и осаждаются непосредственно на медный токосъемник. Такое упрощение конструкции позволяет выделить больше внутреннего пространства для хранения энергии, сравнимо с увеличением объема топливного бака без изменения размеров автомобиля.

Преодоление технических сложностей и рисков безопасности

Однако такая конструкция сопряжена с серьезными вызовами. Неравномерное осаждение лития может привести к образованию дендритов — острых игольчатых структур, повышающих риск коротких замыканий и потенциальных угроз безопасности. Повторяющиеся циклы зарядки-разрядки также могут повредить поверхность лития, что быстро сокращает срок службы батареи.

Для решения этих проблем команда исследователей применила двойную стратегию, сочетающую реверсивный каркас (RH) и специально разработанный электролит (DEL). Реверсивный каркас представляет собой полимерную структуру с равномерно распределенными наночастицами серебра (Ag), которые направляют осаждение лития в определенные места, предотвращая случайное формирование. По сути, это организованная «парковка» для лития, обеспечивающая упорядоченное и равномерное осаждение.

Разработанный электролит дополнительно повышает стабильность, формируя тонкий, но прочный защитный слой из Liв‚‚O и Liв‚ѓN на поверхности лития. Этот слой действует как защитная повязка, предотвращая рост вредоносных дендритов и сохраняя открытые пути для транспорта ионов лития.

Результаты производительности и коммерческий потенциал

Система RH-DEL продемонстрировала выдающиеся результаты. При высокой удельной емкости (4,6 мА·ч/см²) и плотности тока (2,3 мА/см²) батарея сохранила 81,9% первоначальной емкости после 100 циклов и достигла средней кулоновской эффективности 99,6%. Эти показатели позволили команде достичь рекордной объемной плотности энергии 1270 Вт*ч/л в без анодных литий-металлических батареях.

Важно отметить, что эта производительность была подтверждена не только в небольших лабораторных ячейках, но и в более компактных аккумуляторных блоках (pouch-type batteries), приближенных к реальным применениям в электромобилях. Батареи стабильно работали даже при минимальном объеме электролита (E/C = 2,5 г·А·ч⁻¹) и низком давлении (20 кПа). Это демонстрирует значительный потенциал для снижения веса и объема аккумуляторов, а также уменьшения производственных затрат, что существенно повышает их коммерческую привлекательность.

Профессор Парк отметил: «Эта работа представляет собой значительный прорыв, одновременно решающий проблемы эффективности и срока службы в без анодных литий-металлических батареях».

Профессор Ли добавил: «Наше исследование показывает, что дизайн электролита на основе коммерчески доступных растворителей позволяет достичь как высокой подвижности ионов лития, так и стабильности межфазных границ».