Мы постоянно пользуемся разными средствами защиты: крем от солнца бережет кожу от ожогов, зонтик не дает нам промокнуть под дождем, а прихватки спасают руки от горячих кастрюль. Аккумуляторам тоже нужна своя «защита», чтобы их внутренние детали не разрушались от контакта с окружающей средой.

Внутри любой батареи есть электролит — это особая среда, через которую перемещается электрический заряд. В привычных нам литий-ионных аккумуляторах электролит жидкий, а в твердотельных батареях используют твердый. Ученые считают, что именно за твердотельными батареями будущее: они могут быть безопаснее, дольше служить и хранить больше энергии, чем те, что стоят в наших телефонах и ноутбуках сейчас.

Но есть серьезная проблема. Лучшие образцы твердых электролитов, например, сульфидные, очень капризны. Они разрушаются от малейшего контакта с кислородом или влажностью. Чтобы делать такие батареи, производственный цех нужно превращать в сверхсухое помещение с температурой ниже минус сорока градусов. Это невероятно дорого.

Подробности опубликованы в издании ACS Materials Letters.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории нашли выход. Они придумали, как защитить частички твердого электролита специальным покрытием, используя метод атомно-слоевого осаждения. По сути, на порошок электролита наносят слой оксида алюминия — тот же самый материал, из которого делают стекло. Этот слой не просто механически защищает частицы от внешней среды, он меняет их электронную структуру на поверхности, делая их невосприимчивыми к воде и кислороду.

Джастин Коннелл, материаловед из лаборатории, объясняет это так:

Даже невероятно тонкое покрытие — всего несколько нанометров, что примерно в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса — работает как мощный барьер. Оно сохраняет электролит целым и даже улучшает его работу. Это не только продлевает жизнь батареи, но и удешевляет производство: теперь не нужны такие строгие условия на заводе.

Джеффри Элам, старший химик, добавляет удивительную деталь:

Этот слой настолько тонкий, что может быть меньше одного атома в толщину. Сначала мы сами не могли в это поверить, и только компьютерное моделирование помогло нам понять, что происходит.

Как выяснилось, дело не только в физическом барьере. Питер Запол, специалист по вычислительным методам, поясняет:

Покрытие из стеклоподобного материала меняет электронные свойства поверхности электролита. Это подавляет его разрушение и позволяет ионам лития по-прежнему свободно перемещаться, что жизненно важно для работы батареи.

В ходе экспериментов покрытые частицы помещали в условия с высокой влажностью и содержанием кислорода, как в обычном воздухе. И они вели себя отлично, в то время как незащищенные быстро приходили в негодность.

Для производства это значит очень много. Захари Худ, еще один участник команды, говорит, что теперь для выпуска таких батарей можно использовать те же заводские линии, что и для обычных литий-ионных.

Это колоссальная экономия на строительстве новых заводов, плюс надежность готовых батарей становится выше, ведь материалы больше не портятся при сборке.

Сейчас ученые уже работают с коммерческими партнерами, чтобы масштабировать технологию и выпускать защищенный электролит в промышленных масштабах. И хотя оксид алюминия показал себя отлично, исследователи не останавливаются: они уверены, что есть и другие вещества, которые смогут работать так же эффективно.

Для науки этот прорыв интересен тем, что меняет сам подход к защите материалов. Раньше думали, что главное — просто изолировать вещество от внешней среды. Теперь стало понятно, что тончайшее покрытие может не только закрывать, но и «лечить» поверхность, настраивая ее электронные свойства. Это открывает дорогу для поиска других покрытий, которые, возможно, будут работать еще лучше не только с литием, но и с другими элементами.

В реальной жизни польза огромна. Электромобиль с такой батареей сможет проезжать на одной зарядке не 400, а 800 километров, и при этом батарея будет практически вечной. Или что телефон заряжается раз в неделю и не взрывается. Но главное даже не это. Главное — цена. Если технологию удастся внедрить, твердотельные батареи перестанут быть дорогой экзотикой. Их производство станет стоить примерно столько же, сколько привычные нам аккумуляторы, а значит, они быстро появятся во всей технике вокруг нас.

И все же при всех блестящих результатах исследование пока что проведено в лабораторных условиях. Ученые доказали, что покрытие работает на порошке и в небольших экспериментальных ячейках. Однако путь от лабораторного образца до батареи, которая проедет тысячи километров в машине или выдержит годы работы в смартфоне, — долгий и тернистый.

Непонятно, как поведет себя нанопленка при многократных циклах зарядки и разрядки, когда материал внутри батареи расширяется и сжимается. Выдержит ли стеклоподобное покрытие такие механические нагрузки? Не потрескается ли оно через сотню циклов? Кроме того, метод атомно-слоевого осаждения сам по себе пока довольно медленный и дорогой для массового производства тонн порошка. Справится ли коммерческий партнер с масштабированием без потери качества и роста цены — большой вопрос.

Ранее российские ученые открыли секрет эффективной батареи.