Китайские ученые совершили прорыв в создании более долговечных и безопасных твердотельных батарей

Китайские ученые недавно добились значительных успехов в преодолении ключевых препятствий для твердотельных батарей, подняв их производительность на новый уровень.

Твердотельные батареи, широко рассматриваемые как следующее поколение литиевых батарей, обладают многообещающим потенциалом для применения в электромобилях и низковысотной авиации.

Ранее батарея весом 100 кг могла питать автомобиль на расстоянии около 500 километров, но последние прорывы обещают увеличить этот запас хода до более чем 1000 километров.

В основе батареи лежат ионы лития, которые действуют как «курьеры», перемещая электроны между положительным и отрицательным электродами. Твердый электролит служит «дорогой» для этих ионов.

Однако в обычных твердотельных батареях сульфидные электролиты слишком твердые, а литиевые металлические электроды слишком мягкие. Когда эти материалы соприкасаются, неравномерный контакт создает сопротивление, препятствуя движению ионов и снижая эффективность — это давний барьер на пути коммерциализации.

Чтобы решить эту проблему, китайские исследовательские группы разработали инновационные решения, которые плавно заполняют разрыв между жесткими и мягкими материалами, обеспечивая более плавный транспорт ионов и улучшенную производительность.

Один из подходов, предложенный Институтом физики Китайской академии наук (CAS), использует ионы йода в качестве особого «клея». Во время работы эти ионы мигрируют к границе раздела между электродом и электролитом, где они притягивают ионы лития, чтобы заполнить микроскопические зазоры и поры.

Этот самовосстанавливающийся механизм создает прочно связанную границу раздела, эффективно преодолевая одно из самых стойких препятствий на пути практического применения твердотельных батарей.

Ученые из Института исследования металлов CAS придали электролитам «гибкое преобразование». Построив каркас на полимерной основе, они создали батарею, которая остается полностью функциональной даже после 20 000 изгибов или скручиваний.

Эта конструкция не только обеспечивает исключительную долговечность, но и включает в гибкую структуру специальные химические добавки — одни для ускорения транспорта ионов лития, а другие для захвата дополнительных ионов — тем самым увеличивая емкость накопления энергии на 86 процентов.

В другом достижении команда из Университета Цинхуа представила технику фторного усиления. Они модифицировали электролит фторированными полиэфирными материалами, используя высокое сопротивление фтора напряжению для формирования защитного слоя на поверхности электрода. Этот богатый фтором щит предотвращает разрушение электролита под высоким напряжением.

В результате батареи, использующие эту технологию, прошли суровые испытания на безопасность, включая прокалывание гвоздем и воздействие температур 120 градусов Цельсия, без возгорания или взрыва, тем самым обеспечивая как высокую производительность, так и безопасность.