Електролітний прорив: у США змусили іони літію «бігати» в мільярди разів швидше
Світ десятиліттями чекає на твердотільні акумулятори, які не вибухають, мають більшу щільність енергії та заряджаються за лічені хвилини. Проблема в тому, що іони в твердих матеріалах зазвичай почуваються як у заторах у п’ятницю ввечері. Проте науковці з Ок-Ріджської національної лабораторії (Oak Ridge National Laboratory, ORNL), що підпорядковується Міністерству енергетики США, схоже, знайшли спосіб відкрити для них «виділену смугу».
Застиглий рух та дилема матеріалів
Головна претензія до сучасних літій-іонних батарей — їхня рідка начинка. Вона легко займається, що перетворює будь-яке серйозне пошкодження акумулятора на піротехнічне шоу. Твердотільні аналоги мають бути безпечнішими, але вони впираються в стіну фізики: іонам літію дуже важко продиратися крізь щільну кристалічну або аморфну решітку твердого тіла.
Зазвичай дослідники обирають між крихкою керамікою, яка добре проводить заряд, але тріскається при першій нагоді, та гнучкими полімерами, які живуть довго, але проводять іони зі швидкістю лінивого равлика. Команда ORNL вирішила не обирати, а створити щось принципово нове — полімерний матеріал, який поєднує пластичність із феноменальною провідністю.
Секрет у «біполярних кишенях»
Ключем до успіху стала точна маніпуляція структурою на молекулярному рівні. Дослідники змішали літієву сіль із полімером та додали туди специфічні молекулярні групи — біполярні іони (цвіттеріони). Ці групи створюють усередині матеріалу зони з високою полярністю, які науковці називають «іонними кишенями».
При правильній концентрації ці кишені не просто існують самі по собі, а з’єднуються в розгалужену мережу каналів. Усередині цих тунелів іони літію можуть рухатися в мільярди разів швидше, ніж зміщується сама структура полімеру. Це фактично знімає обмеження, які раніше робили полімерні електроліти непридатними для швидкої зарядки.
Суперкомп’ютери на варті автономності
Хоча результати виглядають багатообіцяльно, розробники не збираються зупинятися на досягнутому. Наступний етап — залучення штучного інтелекту та потужностей Міністерства енергетики США для моделювання процесів на атомному рівні. Вченим потрібно зрозуміти, як саме поводяться ці «канали» під час тривалої експлуатації та як масштабувати виробництво без втрати властивостей.
Якщо цей підхід вдасться комерціалізувати, ми нарешті отримаємо акумулятори, які не бояться морозів, не горять при аваріях та дозволяють електромобілям заряджатися так само швидко, як авто з ДвЗ заправляються бензином. Поки що це лише лабораторний успіх, але в перегонах за «священним граалем» енергетики США щойно зробили дуже вагому заявку.
Поки одні вчені працюють над мікросвітом батарей, інші підкорюють космос — нещодавно місія Artemis II повернулася додому, встановивши нові рекорди для пілотованих польотів.
