Ученые ORNL стирают границу между полимерами и керамикой в современных батареях. Источник: AI
Мир десятилетиями ждет твердотельные аккумуляторы, которые не взрываются, имеют большую плотность энергии и заряжаются в считанные минуты. Проблема в том, что ионы в твердых материалах обычно чувствуют себя как в пробках в пятницу вечером. Однако ученые из Ок-Риджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory, ORNL), подчиняющейся Министерству энергетики США, похоже, нашли способ открыть для них «выделенную полосу».
Застывшее движение и дилемма материалов
Главная претензия к современным литий-ионным батареям — их жидкая начинка. Она легко занимается, что превращает любое серьезное повреждение аккумулятора в пиротехническое шоу. Твердотельные аналоги должны быть более безопасными, но они упираются в стену физики: ионам лития очень трудно продираться через плотную кристаллическую или аморфную решетку твердого тела.
Обычно исследователи выбирают между хрупкой керамикой, которая хорошо проводит заряд, но трескается при первой возможности, и гибкими полимерами, которые живут долго, но проводят ионы со скоростью ленивой улитки. Команда ORNL решила не выбирать, а создать что-то принципиально новое – полимерный материал, сочетающий пластичность с феноменальной проводимостью.
Секрет в «биполярных карманах»
Ключом к успеху явилась точная манипуляция структурой на молекулярном уровне. Исследователи смешали литиевую соль с полимером и добавили туда специфические молекулярные группы – биполярные ионы (цветтерионы). Эти группы создают внутри материала зоны с высокой полярностью, которые учёные называют «ионными карманами».
При правильной концентрации эти карманы не просто существуют сами по себе, а соединяются в разветвленную сеть каналов. Внутри этих туннелей ионы лития могут двигаться в миллиарды раз быстрее, чем смещается сама структура полимера. Это фактически снимает ограничения, ранее делавшие полимерные электролиты непригодными для быстрой зарядки.
Суперкомпьютеры на страже автономности
Хотя результаты выглядят многообещающе, разработчики не собираются останавливаться на достигнутом. Следующий этап – привлечение искусственного интеллекта и мощностей Министерства энергетики США для моделирования процессов на атомном уровне. Ученым нужно понять, как ведут себя эти «каналы» во время длительной эксплуатации и как масштабировать производство без потери свойств.
Если этот подход удастся коммерциализировать, мы, наконец, получим аккумуляторы, которые не боятся морозов, не горят при авариях и позволяют электромобилям заряжаться так же быстро, как авто с ДВС заправляются бензином. Пока это только лабораторный успех, но в гонке за «священным граалем» энергетики США только что сделали очень весомую заявку.
Пока одни ученые работают над микромиром батарей, другие покоряют космос – недавно миссия Artemis II вернулась домой, установив новые рекорды для пилотируемых полетов.