Новые кремниевые батареи: быстрее, дальше, дешевле

Революционное исследование, проведенное специалистами Лондонского университета королевы Марии, представляет новый подход к созданию автомобильных аккумуляторов. Использование двухслойной конструкции электрода, основанной на фундаментальных научных принципах и визуализации в режиме реального времени (operando imaging), значительно повышает стабильность работы и скорость зарядки кремний-углеродных батарей. Это открывает перспективы для снижения стоимости электромобилей на 20–30%.

Работа, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, под руководством доктора Сюэкуня Лу, старшего преподавателя в области «зеленой» энергетики, предлагает усовершенствованную конструкцию кремний-углеродных композитных электродов. Эта инновация призвана решить ключевые проблемы, сдерживающие широкое применение кремниевых батарей, и стать прорывом для создания высокопроизводительных аккумуляторов нового поколения.

С момента появления электромобилей 15 лет назад, одной из главных задач становится увеличение запаса хода и сокращение времени зарядки. Кремниевые электроды обладают теоретической емкостью в 10 раз выше и обеспечивают более быструю зарядку по сравнению с традиционными материалами. Однако их массовому внедрению мешает существенное изменение объема (до 300%) в процессе зарядки и разрядки, что приводит к быстрому износу и сокращению срока службы.

Благодаря применению методов мультимасштабной и мультимодальной operando визуализации, исследователи получили беспрецедентные сведения о механо-химических процессах, происходящих в кремний-углеродных композитных электродах. На основе этих углубленных знаний была разработана новая двухслойная архитектура. Она успешно справляется с основными проблемами дизайна материалов, демонстрируя существенно более высокую емкость и меньшую деградацию по сравнению с традиционными решениями.

Доктор Сюэкунь Лу, руководитель исследования, отметил: «Впервые мы смогли визуализировать взаимодействие между микроструктурой и электрохимико-механическими характеристиками в различных масштабах — от отдельной частицы до полного электрода — используя интегрированные методы мультимодальной operando визуализации.»

«Это исследование открывает новые возможности для инноваций в области трехмерных композитных архитектур электродов, раздвигая границы энергетической плотности, срока службы и скорости зарядки автомобильных аккумуляторов, тем самым ускоряя массовое внедрение электромобилей», — добавил он.

Профессор Дэвид Гринвуд, генеральный директор WMG High Value Manufacturing Catapult Centre, подчеркнул: «Высококремниевые аноды являются важным технологическим путем к созданию батарей с высокой энергоемкостью для таких применений, как автомобильная промышленность. Данное исследование предлагает гораздо более глубокое понимание того, как микроструктура влияет на производительность и деградацию, и послужит основой для улучшения дизайна батарей в будущем.»