Обнаружены новые подходы к созданию многослойных анодов для аккумуляторов. Эта инновационная технология имеет потенциал кардинально изменить рынок накопителей энергии.
Исследователи из Сколтеха проанализировали перспективное направление в разработке будущих аккумуляторов. Они тщательно изучили новейшие способы создания многослойных структур из щелочных металлов (лития, натрия и калия) в углеродных материалах, которые применяются в анодах. Эта методика имеет возможность преобразовать сферу накопления энергии, позволяя электрокарам заряжаться за несколько минут и обеспечивая надежные, безопасные и экономически выгодные решения для хранения энергии в возобновляемой энергетике.
На протяжении многих лет считалось, что ионы могут внедряться в углеродные структуры типа графита лишь в виде одноатомного слоя. Однако в 2018 году ученые с помощью мощного электронного микроскопа зафиксировали принципиально новое явление: между слоями графена образовались сверхплотные многоатомные слои лития. Это важное открытие стало основой для новых исследований, подтвердивших, что такие же конструкции («сэндвичи») возможны не только с литием, но и с другими распространенными элементами, включая натрий, как в организованных структурах графена, так и в аморфных твердых углеродных соединениях, включая специальные углеродные сферы.
Инновационная концепция предлагает множество преимуществ. Прежде всего, значительно увеличивается емкость батареи: размещение множества слоев металла в аноде позволяет аккумулировать существенно больше энергии. По расчетам, графеновая структура с четырьмя слоями лития теоретически может хранить почти в три раза больше энергии, чем современные лучшие графитовые аноды.
Также новая технология обеспечивает высокие скорости заряда и разряда. Специально сконструированные нанопоры и каналы в углеродной матрице ускоряют движение ионов, что подтверждают эксперименты с натрий-ионными батареями на основе твердого углерода, сохраняющими около 83% емкости даже после 3000 циклов быстрой перезарядки.
«Мы систематизировали доказательства того, что природа позволяет нам “упаковывать” ионы в углерод гораздо плотнее, чем считалось возможным. Ключ — в инженерном дизайне самого углеродного носителя, то есть в создании атомарных каналов в графите, контроле размера нанопор в твердом угле или введении открытых мезоканалов в углеродные сферы. Каждая такая архитектура направляет ионы по оптимальному пути, позволяя формировать стабильные многослойные структуры, которые и являются источником рекордных характеристик», — комментирует первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу Сколтеха.
Изучение процесса многослойного внедрения щелочных металлов в углеродные аноды открывает важные перспективы для улучшения аккумуляторных технологий. Оно нацелено на решение ключевых проблем современных накопителей энергии, что позволит разработать новые устройства с увеличенной емкостью, высокой скоростью зарядки, улучшенными показателями безопасности и низкой стоимостью производства.
Фото: hi-tech.mail.ru