Новый анод для быстрой зарядки: дольше жизнь батарей

Современные электромобили и смартфоны нуждаются в быстрой зарядке, но это часто приводит к сокращению срока службы аккумуляторов. Исследователи из Южной Кореи разработали инновационный анодный материал, который сохраняет высокую производительность даже при частых циклах быстрой зарядки, решая проблему деградации батарей.

Совместная работа профессора Сок Джу Канга (UNIST), профессора Санг Кю Квака (Korea University) и доктора Сокхуна Аня (KIST) привела к созданию гибридного анода, состоящего из графита и органических наноматериалов. Этот материал эффективно предотвращает потерю емкости во время повторяющихся циклов быстрой зарядки, обещая увеличение срока службы батарей для различных устройств.

В процессе зарядки ионы лития (Li-ion) проникают в анодный материал, накапливая энергию. При быстрой зарядке избыток лития может образовывать на поверхности так называемый "мертвый литий", который нельзя использовать повторно. Это накопление снижает емкость и ускоряет износ аккумулятора.

Исследователи нашли структурное решение этой проблемы. Их гибридный анод включает коммерчески используемые графитовые частицы (мезокарбоновые микросферы, MCMB), равномерно распределенные внутри изогнутых нанолистов хлорированного контортированного гексабензокоронена (Cl-cHBC). Уникальные изогнутые нанолисты создают более широкие межслоевые пространства и наноканалы, позволяя ионам лития проходить быстрее и эффективнее.

При смешивании в равных пропорциях эти два материала обеспечивают последовательное внедрение ионов лития: сначала они попадают в нанолисты, а затем перемещаются в графит. Такая поэтапная вставка предотвращает образование "мертвого лития", обеспечивая быструю зарядку без потери емкости, что подтверждено теоретическими расчетами.

Экспериментальные испытания показали, что этот гибридный анод обеспечивает более чем в четыре раза большую емкость по сравнению с обычным графитом при высоких скоростях зарядки (4 А/г). Последовательная вставка позволяет увеличить хранение лития и улучшить стабильность циклов.

Тестирование в полноформатных ячейках, где гибридный анод сочетался с высокопроизводительным катодом (NCM811), показало сохранение 70% первоначальной емкости после более чем 1000 циклов зарядки-разрядки. При сборке в ячейки типа "пакет" гибридный анод продемонстрировал стабильную работу в течение 2100 циклов с кулоновской эффективностью 99%, что указывает на его потенциал для реального применения.

Исследователи подчеркивают, что этот простой и масштабируемый процесс изготовления совместим с существующей инфраструктурой производства батарей. Более того, использование химической универсальности изогнутых нанолистов открывает возможности для разработки натрий-ионных аккумуляторов и других систем хранения энергии.

Команда отмечает, что механизм последовательного внедрения ионов лития, выявленный в этом исследовании, предлагает перспективный принцип проектирования для аккумуляторов следующего поколения, требующих как быстрой зарядки, так и долговременной стабильности.