Бета-фаза в литий-алюминиевом сплаве ускоряет литий в 10 миллиардов раз
Все привыкли, что аккумуляторы медленно заряжаются и быстро умирают — возможно, новая разработка переломит ситуацию.
Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего придумали, как сделать металлический отрицательный электрод для твердотельных аккумуляторов гораздо лучше. Они работали над сплавом лития и алюминия. Главная проблема таких материалов — литий движется внутри них неравномерно, из-за чего батарея быстро изнашивается. Ученые разобрались, как литий перемещается внутри двух разных фаз этого сплава. Одна фаза богата литием — её называют бета, другая бедна литием — альфа.
Оказалось, что если увеличить количество бета-фазы, литий начинает бегать по сплаву в десять миллиардов раз быстрее, чем через альфа-фазу. Представьте себе дорожки: одни — узкие тропинки, другие — десятиполосные автострады. Бета-фаза создает именно такие быстрые магистрали для ионов лития. Кроме того, электрод с большим количеством бета-фазы становится плотнее и стабильнее, а каналы, через которые литий переходит из электрода в твердый электролит, работают чётче.
В испытаниях батареи с такими электродами выдержали больше двух тысяч циклов зарядки-разрядки на высоких токах и почти не потеряли ёмкость. До этого никто не связывал распределение бета-фазы в литий-алюминиевом сплаве с тем, как быстро и хорошо литий там движется.
Работа опубликована в журнале Nature Communications, а руководили исследованием профессор Чжэн Чэнь и его коллега Юджу Чон.
Краткий анализ стоимости технологии с точки зрения доступности
Сам сплав литий-алюминий дёшев — оба металла широко используются в промышленности. Дороже всего в этой разработке даже не материалы, а точный контроль состава и распределения фаз. Для массового производства нужно переоборудовать заводские линии, но это разовые затраты. Сами батареи станут не намного дороже обычных литий-ионных, но пока технология находится в лаборатории, о дешевизне для потребителя говорить рано. Если разработку масштабируют, стоимость одного киловатт-часа может оказаться ниже, чем у современных аналогов, за счёт долговечности.
Что было до этого исследования
До этой работы инженеры знали, что в литий-алюминиевом сплаве есть две фазы, но никто не измерял, насколько сильно различается скорость движения лития между ними. Более того, никто целенаправленно не управлял распределением бета-фазы. Проблему знали давно, а теперь нашли конкретный рычаг управления. Это скорее «инженерный ключ», чем „научная бомба“, и именно такие ключи нужны для настоящих батарей следующего поколения.
Насколько работа этична и какой может быть вред
Прямых этических проблем тут нет. Исследование не связано с живыми существами, редкоземельными ресурсами из зон конфликтов или токсичными веществами сверх обычных аккумуляторов. Но литий и алюминий добывают с большим ущербом для природы. Если технологию начнут применять массово, нагрузка на экологию от добычи лития возрастёт. Кроме того, никто не проверял, насколько безопасны эти батареи при коротком замыкании или механическом повреждении — литий остаётся пожароопасным, даже если спрятан в твёрдый электролит. Так что этическая чистота пока кажущаяся.
Когда новая разработка станет доступна каждому
Не раньше чем через пять-семь лет, а скорее десять. Сейчас это лабораторный прототип. Чтобы он попал в смартфон или электромобиль, нужно решить десятки других проблем — например, как делать такие электроды дешёво и стабильно на тысячах батарей подряд. Первыми, если повезёт, технологию увидят владельцы дорогих электромобилей премиальных марок через три-четыре года в виде тестовых партий.
Сравнение с аналогами
| Аналог | Особенность | Где хуже, где лучше |
|---|---|---|
| Классический литий-ионный аккумулятор с графитовым анодом | Стабилен, но не позволяет быстро заряжаться и имеет предельную ёмкость | Новая технология даёт в 5–10 раз быстрее зарядку и больше циклов, но пока не проверена годами эксплуатации |
| Твердотельные батареи с чистым литиевым электродом | Огромная ёмкость, но растут дендриты — литиевые иглы, замыкающие батарею | Сплав с бета-фазой почти не даёт дендритов, но содержит алюминий, который снижает общую ёмкость на 20–30% по сравнению с чистым литием |
| Литий-кремниевые аноды | Очень высокая ёмкость, но кремний сильно расширяется при зарядке и разрушается | Литий-алюминий расширяется меньше, но хранит меньше энергии, чем кремний |
Критика исследования
Главный подвох спрятан в цифрах. Учёные говорят, что литий движется в десять миллиардов раз быстрее по бета-фазам. Звучит потрясающе. Но в реальной батарее литию всё равно приходится проходить и через альфа-фазу, даже если её мало. Представьте, что вы едете по скоростной трассе, которая каждые сто метров упирается в грунтовку. Скорость падает мгновенно. Вторая проблема: авторы гордятся двумя тысячами циклов. Это хорошо для лаборатории. Но для электромобиля нужно четыре-пять тысяч циклов при более жёстких условиях. В третьих, никто не публиковал данные о том, как ведёт себя этот сплав при низких температурах — например, минус двадцать градусов. А для электромобилей это критично. Так что работа прекрасная, но до реального применения ещё нужны годы доводки.
Ранее стало известно о начале мировой битвы за переработку аккумуляторов.
