Учёные из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) создали материал, который избавит литий-металлические аккумуляторы от их главной проблемы — быстрой деградации.
В основе открытия — монокристаллический трёхмерный боратный ковалентный органический каркас (COF). Он работает как квазитвердотельный электролит, делая батареи гораздо безопаснее и долговечнее.
Литий-металлические элементы COF
Литий-металлические элементы — следующий логичный шаг после привычных литий-ионных батарей.
Их массового внедрения особенно ждёт рынок электромобилей и промышленных систем хранения энергии. Но серийное производство пока буксует. Причина кроется в безопасности: внутри аккумуляторов образуются литиевые дендриты.
Эти крошечные металлические отростки провоцируют короткие замыкания и быстро «убивают» элемент.
Ковалентные органические каркасы (COF) давно привлекают внимание химиков своей пористой и прочной структурой. Беда в том, что большинство из них — поликристаллические. На границах их зёрен возникает сопротивление, мешающее ионам свободно перемещаться.
Чтобы обойти препятствие, гонконгские исследователи взяли за основу структуру COF-303 и вырастили монокристалл с чёткими ионными каналами. Такая архитектура убирает лишнее сопротивление. Литий оседает равномерно, а опасные дендриты просто не растут.
Ровные «трассы» для ионов гарантируют стабильный поток частиц без локальных перегревов и сбоев. На практике это значит, что батареи будут жить гораздо дольше, не теряя ёмкости даже после сотен циклов зарядки от розетки.
Преодоление барьера роста дендритов
Новый материал уже показывает отличные цифры. Ионная проводимость при комнатной температуре достигает 8,1 мСм/см, а число переноса ионов лития (Li+) держится на уровне 0,98.
Говоря проще: заряды внутри такой батареи двигаются максимально быстро и точно по заданному маршруту.
Лабораторные тесты доказали исключительную надёжность технологии. В симметричных ячейках литий стабильно оседал и растворялся более двух тысяч часов подряд. Риск возгорания при этом сводится практически к нулю.
Ещё один важный показатель — тесты полноценных батарей с катодами LiFePO4. После 600 циклов зарядки и разрядки они сохранили 91,8% изначальной ёмкости, показав кулоновскую эффективность на уровне 99,98%.
Первоначальная удельная ёмкость элементов составила 147 мА·ч/г. Учёные наглядно доказали: ювелирный контроль над структурой материала напрямую влияет на то, насколько стабильно и мощно работает аккумулятор в долгосрочной перспективе.
Шаг к безопасной энергетике
Над проектом вместе с гонконгской командой работали специалисты Шанхайского университета Цзяотун (SJTU), объединив усилия для создания аккумуляторов нового поколения.
«Наше исследование подтверждает: монокристаллические 3D B-COF готовы к коммерческому использованию, — отмечает руководитель проекта, профессор Юнсоб Ким. — Мы избавились от структурных дефектов, которыми грешат поликристаллы, и приблизились к созданию по-настоящему мощных и безопасных батарей».
Эксперты уверены: если производство удастся масштабировать, монокристаллические COF откроют дорогу к массовому выпуску твердотельных батарей. Новая технология снимает старые ограничения.
Теперь индустрия электромобилей и промышленной энергетики может получить накопители с высокой плотностью энергии, которые прослужат годы без потерь.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU