Физики разработали новый материал для аккумуляторов будущего
Исследователи из Института медицинских исследований Макса Планка (Германия) разработали инновационную технологию, которая может значительно улучшить литий-ионные батареи и аккумуляторы. Их открытие, опубликованное в журнале ACS Nano, основано на использовании металлического флиса — тонкой сетки из медных или алюминиевых волокон — вместо традиционной фольги в электродах.
Чего добились физики
Команда под руководством Йоахима Шпатца обнаружила, что металлический флис, состоящий из тонких волокон (диаметром в доли миллиметра), создает трехмерную сеть, которая ускоряет движение ионов лития в 56 раз по сравнению с обычным электролитом. Это происходит благодаря «слою Гельмгольца» — электрическому двойному слою на поверхности металла, где ионы теряют свою молекулярную оболочку и движутся как по автомагистрали.
«Используя специально разработанную измерительную установку и теоретические расчеты, мы показали, что ионы лития движутся через слой Гельмгольца примерно в 56 раз быстрее, чем через электролит. Металлические поверхности — это своего рода автомагистраль для ионов», — говорит Шпатц.
В отличие от традиционных батарей, где электроды ограничены толщиной 0,2 мм из-за медленного транспорта ионов, флисовые электроды могут быть до 2 мм — в 10 раз толще. Это увеличивает долю активного материала (например, графита или литийсодержащих соединений) до 90 % от веса батареи, снижая долю меди или алюминия.
Это позволяет увеличить плотность энергии анода до 85 %, а всей батареи — на 40 %, сократить использование меди вдвое, что делает их легче и мощнее. А также снизить производственные затраты на 30–40%
В чем инновация
Традиционные литий-ионные батареи используют тонкую фольгу (медь для анода, алюминий для катода), на которую наносят активный материал. Тонкие слои (0,2 мм) нужны для быстрой зарядки, но они ограничивают емкость. Толстые электроды увеличивают емкость, но замедляют зарядку. Флис решает эту дилемму, создавая 3D-сеть, подобную кровеносным сосудам в организме, которая эффективно доставляет ионы и электроны.
«Поставка заряда через двумерные слои неэффективна. Наша цель — 3D-сеть для носителей заряда, чтобы заряжать и разряжать батареи эффективно», — объясняет Шпатц
Это открытие не только повышает емкость батарей, но и продлевает их срок службы, так как флис эластичен и адаптируется к изменениям объема при зарядке.
Перспективы
Технология применима не только к литий-ионным батареям, но и к перспективным натрий-ионным и твердотельным батареям. Компания Batene GmbH, основанная в 2022 году с инвестициями, уже привлекла внимание автопроизводителей. В 2024 году стартап получил премию Макса Планка (€30 000) за инновации.
«Благодаря нашей технологии у нас есть шанс догнать азиатских производителей и стать даже лучше», — уверен Шпатц.
