Литий-металлические батареи пока не вышли на рынок, но если это произойдет, они могут решить проблему вечно разряжающихся аккумуляторов. По сути, это усовершенствованная версия привычных литий-ионных батарей, которые стоят в смартфонах и ноутбуках, но с вдвое большей емкостью. Проблема в том, что они быстро теряют способность заряжаться — пока лучшие образцы выдерживают не больше 200 циклов.

Ученые из Калифорнийского нанотехнологического института при UCLA, возможно, нашли способ это исправить. В журнале Science Advances они описали новый метод микроскопии — электрифицированную криогенную электронную микроскопию  (eCryoEM). Эта технология впервые позволила наблюдать за процессом зарядки литий-металлической батареи с детализацией меньше длины световой волны.

Как это работает

Обычная криоэлектронная микроскопия (криоЭМ) в биологии и материаловедении показывает только «до» и „после“ химических реакций. Ученые UCLA модифицировали метод: они замораживали батарею жидким азотом прямо во время зарядки, фиксируя изменения в реальном времени. Получилось что-то вроде замедленной съемки — можно увидеть, как растет коррозионный слой между литием и электролитом.

Что выяснилось

Сравнили два типа электролитов — эффективный (до 100 циклов) и неэффективный (до 50). Раньше думали, что разница в скорости диффузии электронов через коррозионный слой. Оказалось, главное — насколько агрессивен сам электролит. В первые моменты реакции разница в скорости коррозии была в три раза, а потом всего 10%.

Что это значит

Вместо того чтобы пытаться замедлить диффузию, лучше сделать электролит максимально инертным. Это не новость, но теперь есть точные данные, подтверждающие стратегию.

При чем тут биология

Метод eCryoEM можно использовать и в нейробиологии. Например, замораживать нейроны во время электрической активности, чтобы увидеть, как меняются белки в мембранах. Это может помочь в изучении болезней вроде Альцгеймера.

Красота науки в том, что методы из одной области могут перевернуть другую, — говорит Юйчжан Ли, руководитель исследования.

Главный плюс — ускорение разработки литий-металлических батарей. Если удастся повысить число циклов зарядки до 500–1000, это изменит рынок: электромобили смогут проезжать 1000+ км без подзарядки, а смартфоны — работать неделю.

Также метод eCryoEM полезен для:

• Создания суперконденсаторов — устройств с мгновенной зарядкой.
• Изучения нейродегенеративных заболеваний — например, как белки в нейронах реагируют на электрические импульсы.
• Разработки новых материалов — от катализаторов до гибкой электроники.

Метод eCryoEM требует сверхбыстрой заморозки (миллисекунды), что сложно масштабировать. Пока эксперименты проводились на тонкопленочных батареях — в «реальных» устройствах процессы могут идти иначе. Кроме того, неясно, как метод поведет себя при высоких токах, которые используются в промышленных образцах.

Ранее ученые разработали новый метод синтеза углеводородов для электроники.