Китайские исследователи выявили механизм, вызывающий сбои в работе твердотельных литиевых аккумуляторов, что может изменить будущее электромобилей.
Это произошло в тот момент, когда Китай стал мировым лидером в производстве литиевых аккумуляторов. Сейчас страна конкурирует со своими международными соперниками, особенно из Японии и Республики Корея, за внедрение аккумуляторных технологий нового поколения.
Твердотельные аккумуляторы, которые многие считают одним из самых перспективных решений на ближайшее десятилетие, могут произвести революцию в сфере хранения энергии. Однако преодоление технических препятствий, связанных с ними, остаётся самой сложной задачей на сегодняшний день.
ПОИСК ПЕРВОПРИЧИНЫ
В отличие от жидких электролитов, используемых в обычных аккумуляторах, твёрдые электролиты с трудом выдерживают нагрузки, вызванные расширением и сжатием лития во время циклов зарядки.
Эти напряжения могут вызвать растрескивание или образование дендритов — крошечных игольчатых структур, которые могут привести к короткому замыканию, что создаёт серьёзные препятствия для внедрения этой технологии.
В своём новом исследовании учёные из Университета Тунцзи и Хуачжунского университета науки и технологий обнаружили, что сбои в работе твердотельных аккумуляторов тесно связаны с усталостью анода из литиевого металла.
Они также заметили, что эта усталость подчиняется чётко определённым механическим принципам, подобно тому, как многократное сгибание скрепки ослабляет её, пока она окончательно не сломается.
Это открытие, опубликованное в пятницу в журнале Science, обеспечивает количественную основу для прогнозирования срока службы аккумуляторов и открывает новые возможности для разработки более долговечных систем хранения энергии.
«В работе признаётся важность усталости для работы литий-металлических анодов в твердотельных батареях», — отметили Джагджит Нанда и Сергей Калнаус, два американских специалиста по батареям, в обзоре исследования.
РЕВОЛЮЦИЯ В РАБОТЕ АККУМУЛЯТОРА
Это исследование подчёркивает, что в последние годы Китай стабильно инвестирует в исследования и разработки в области электрохимии. Эти прорывы в настоящее время укрепляют промышленное превосходство Китая и подготавливают почву для того, чтобы страна повторила свой успех в грядущей революции в области аккумуляторных технологий.
В твердотельных аккумуляторах, использующих твёрдые электролиты вместо жидких, достигается гораздо более высокая плотность энергии (до 500 Вт·ч/кг), чем в традиционных литий-ионных аккумуляторах с жидким электролитом (200–300 Вт·ч/кг). Это позволяет получить больше энергии в том же объёме и уменьшить размер аккумулятора.
Они также отличаются более высокой термостойкостью, негорючестью и отсутствием риска утечки жидкости, что значительно снижает риск самовозгорания и взрыва.
Оуян Мингао, эксперт по новым энергетическим системам и профессор Университета Цинхуа, предсказал, что достижение плотности энергии 500 Вт·ч/кг будет зависеть от важнейших достижений в области материаловедения, а 2027 год станет поворотным для прорывных инноваций.
Китайские производители аккумуляторов CATL и BYD поставили перед собой цель — начать мелкосерийное производство твердотельных аккумуляторов в 2027 году.
Научные коллективы расширяют сотрудничество с ведущими компаниями по производству аккумуляторов, чтобы ускорить коммерциализацию технологий.
Шэньчжэньский институт передовых технологий при Китайской академии наук подписал соглашение о сотрудничестве с BYD в таких передовых областях, как твердотельные аккумуляторы.
Сун Хуацзюнь, технический директор подразделения BYD по производству аккумуляторов, предсказал, что твердотельные аккумуляторы получат широкое распространение примерно в 2030 году.
Преимущество Китая в массовом производстве полностью твердотельных аккумуляторов заключается в масштабах его промышленности и рынка.
«Благодаря наиболее полной производственной цепочке, крупнейшему рынку и большому количеству исследователей мы полностью уверены в подходе Китая и его планах в отношении этой технологии», — сказал Цзу Сицзе, вице-президент SAIC Motor.
