Китайские ученые добились прорыва в создании более долговечных и безопасных твердотельных аккумуляторов

2 сентября 2024 года, часть производственной линии для литиевых металлических твердотельных батарей, запечатленная в городе Ибинь провинции Сычуань на юго-западе Китая. /Фото: Синьхуа/

Пекин, 24 октября /Синьхуа/ -- Китайские ученые недавно достигли значительного прогресса в преодолении ключевых препятствий в сфере производства твердотельных аккумуляторов, выведя их характеристики на новый уровень.

Твердотельные аккумуляторы, которые многие считают следующим направлением развития ключевых технологий литиевых батарей, обладают большим потенциалом для применения в электромобилях и низковысотной авиации.

Ранее аккумулятор весом 100 кг мог обеспечить дальность хода на одном заряде максимум 500 км, но последние технологические прорывы позволят увеличить этот показатель до более чем 1000 км.

Основу работы батареи составляют ионы лития, которые действуют как "курьеры", перемещая электроны между положительным и отрицательным электродами. Твердый электролит служит "дорогой" для этих ионов.

Однако в обычных твердотельных аккумуляторах сульфидные электролиты слишком твердые, а литиевые металлические электроды слишком мягкие. При контакте этих материалов неравномерное соединение создает сопротивление, затрудняя движение ионов и снижая эффективность, что в течение длительного времени было узким местом на пути их коммерциализации.

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

Один из подходов, предложенный Институтом физики Китайской академии наук, использует ионы йода в качестве "особого клея". Во время работы эти ионы мигрируют к границе раздела между электродом и электролитом, где они привлекают ионы лития для заполнения микроскопических зазоров и пор.

Этот самовосстанавливающийся механизм создает прочно связанный интерфейс, эффективно преодолевая одно из самых устойчивых препятствий на пути к практическому применению твердотельных аккумуляторов.

Ученые из Института исследования металлов Китайской академии наук придали электролитам "гибкую трансформацию". Создав каркас на полимерной основе, они разработали аккумулятор, который остается полностью функциональным даже после 20 000 изгибов или скручиваний.

Эта конструкция не только обеспечивает исключительную долговечность, но и включает в гибкую структуру специализированные химические добавки - одни для ускорения транспортировки ионов лития, другие для захвата дополнительных ионов лития - тем самым увеличивая емкость хранения энергии на 86 проц.

Еще одно достижение команды из Университета Цинхуа - внедрение техники фторного усиления. Они модифицировали электролит фторированными полиэфирными материалами, используя высокое сопротивление фтора напряжению для формирования защитного слоя на поверхности электрода. Этот богатый фтором барьер предотвращает разрушение электролита под высоким напряжением.

В результате аккумуляторы с данной технологией прошли жесткие испытания безопасности, включая прокалывание гвоздем и нагрев до 120 градусов Цельсия, без возгорания или взрыва, что подтвердило как их высокую производительность, так и безопасность.