Учёные ORNL стирают грань между полимерами и керамикой в современных батареях. Источник: AI
Мир десятилетиями ждёт твёрдотельные аккумуляторы, которые не взрываются, имеют большую плотность энергии и заряжаются за считанные минуты. Проблема в том, что ионы в твердых материалах обычно чувствуют себя как в пробках в пятницу вечером. Однако учёные из Ок-Риджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory, ORNL), подчинённой Министерству энергетики США, похоже, нашли способ открыть для них «выделенную полосу».
Застывшее движение и дилемма материалов
Главная претензия к современным литий-ионным батареям — их жидкое содержимое. Оно легко воспламеняется, что превращает любое серьезное повреждение аккумулятора в пиротехническое шоу. Твёрдотельные аналоги должны быть безопаснее, но они упираются в стену физики: ионам лития очень трудно пробираться сквозь плотную кристаллическую или аморфную решётку твёрдого тела.
Обычно исследователи выбирают между хрупкой керамикой, которая хорошо проводит заряд, но трескается при первой возможности, и гибкими полимерами, которые живут долго, но проводят ионы с быстротой ленивой улитки. Команда ORNL решила не выбирать, а создать что-то принципиально новое — полимерный материал, который сочетает пластичность с феноменальной проводимостью.
Секрет в «биполярных карманах»
Ключом к успеху стала точная манипуляция структурой на молекулярном уровне. Исследователи смешали литиевую соль с полимером и добавили туда специфические молекулярные группы — биполярные ионы (цвиттер-ион). Эти группы создают внутри материала зоны с высокой полярностью, которые учёные называют «ионными карманами».
При правильной концентрации эти карманы не просто существуют сами по себе, а соединяются в разветвленную сеть каналов. Внутри этих туннелей ионы лития могут двигаться в миллиарды раз быстрее, чем смещается сама структура полимера. Это фактически снимает ограничения, которые ранее делали полимерные электролиты непригодными для быстрой зарядки.
Суперкомпьютеры на страже автономности
Хотя результаты выглядят многообещающе, разработчики не собираются останавливаться на достигнутом. Следующий этап — привлечение искусственного интеллекта и мощностей Министерства энергетики США для моделирования процессов на атомном уровне. Учёным нужно понять, как именно ведут себя эти «каналы» во время длительной эксплуатации и как масштабировать производство без потери свойств.
Если этот подход удастся коммерциализировать, мы наконец получим аккумуляторы, которые не боятся морозов, не горят при авариях и позволяют электромобилям заряжаться так же быстро, как авто с ДВС заправляются бензином. Пока что это лишь лабораторный успех, но в гонке за «святым Граалем» энергетики США только что сделали очень весомую заявку.
Пока одни учёные работают над микромиром батарей, другие покоряют космос — недавно миссия Artemis II вернулась домой, установив новые рекорды для пилотируемых полётов.