Ученые из Сколтеха изучили инновационное направление разработки будущих аккумуляторов. Они подробно рассмотрели новейшие методы создания многослойных структур из щелочных металлов (лития, натрия и калия) внутри углеродных материалов, используемых в качестве анодов. Эта методика способна революционизировать отрасль накопления энергии, предлагая быстрые зарядки для электрокаров всего за считанные минуты и обеспечивая надежность, безопасность и экономичность решений для хранения энергии в возобновляемой энергетике, говорится на сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Много лет считалось, что ионы могут внедряться в углеродные структуры типа графита исключительно в виде одноатомного слоя. В 2018 году ученые с помощью мощного электронного микроскопа зафиксировали нечто принципиально новое: между слоями графена образовались сверхплотные многоатомные слои лития. Это ключевое наблюдение положило начало новым исследованиям, доказавшим, что аналогичные конструкции («сэндвичи») возможны не только с использованием лития, но и с другими распространенными элементами, включая натрий, причем как в организованных структурах графена, так и в аморфных твердых углеродных соединениях, включая специальные углеродные сферы.
Новаторская концепция несет целый ряд преимуществ. Прежде всего, значительно увеличивается емкость батареи: размещение множества слоев металла в аноде позволяет накапливать гораздо больше энергии. Согласно расчетам, графеновая структура с четырьмя слоями лития теоретически сможет хранить энергию почти в три раза большую, чем современные лучшие графитовые аноды.
Кроме того, новая технология обеспечивает высокую скорость заряда-разряда. Специально спроектированные нанопоры и каналы в углеродной матрице ускоряют движение ионов, что наглядно демонстрируют эксперименты с натрий-ионными батареями на основе твердого углерода, сохраняющие 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.
Исследование процесса многослойного внедрения щелочных металлов в углеродные аноды открывает важные перспективы для совершенствования аккумуляторных технологий. Оно нацелено на решение ключевых проблем нынешних накопителей энергии, позволяющих разработать новые устройства, обладающие увеличенной емкостью, высокой скоростью зарядки, улучшенными показателями безопасности и низкой стоимостью изготовления.
Ранее ученые открыли гибридную форму материи между твердым и жидким состоянием.
