Новый материал повышает плотность энергии аккумуляторов на 40%

Фото из открытых источников

Исследователями из Института Макса Планка разработан новый вид аккумуляторных электродов, где вместо привычной металлической фольги используют тончайшие металлические ворсинки. Такой подход ускоряет движение ионов лития в 56 раз и делает возможным создание электродов в десять раз толще обычных без утраты скорости зарядки. Новинка помогает снижать производственные затраты и потребление сырья, одновременно увеличивая плотность энергии электродов на 85%, а всей батареи — примерно на 40%.

Электрод в аккумуляторе имеет две основные части: контактный и активный материалы. Первый проводит электрический ток. Как правило, это медная фольга для отрицательного электрода и алюминиевая — для положительного. Активный материал служит для накапливания энергии, он отдает ионы лития в процессе зарядки и разрядки аккумулятора. В литий-ионных батареях для этих целей в отрицательных электродах обычно применяют графит, а в положительных — неорганические соединения, что содержат литий.

Современные активные материалы имеют одно слабое место: плохо проводят ионы, которые перемещаются через жидкий электролит внутрь активного материала. Ионы со временем начинают «вязнуть» в электролите, что создает проблемы для производительности батарей.

Ученые отыскали способ решения проблемы, создав из меди электроды, в десять раз толще обычных, но при этом способные быстро заряжаться и разряжаться. Выяснилось, что на медной поверхности ионы лития утрачивают свою сольватную оболочку, оседая и образуя на границе с металлом двойной электрический слой (слой Гельмгольца). При помощи специального оборудования и расчетов было установлено, что ионы лития движутся через этот слой в 56 раз быстрее, чем через электролит.

Затем ученые изготовили тончайшие (в несколько сотых миллиметра) металлические волокна и сформировали из них что-то вроде ворса. Далее в этот металлический «ворс» ввели активный материал. Метод помог вдвое сократить объёмы меди в сравнении с привычными фольговыми электродами.

В итоге плотность энергии данного электрода возросла на 85%. Новые мощные электроды оказались экономичнее в производстве. Производство удешевляется на 30-40% и требует на треть меньше места.