Учёные из Сколтеха провели исследование, посвящённое прорывному направлению в создании аккумуляторов будущего. В статье, опубликованной в ведущем научном журнале Small, детально проанализированы последние достижения в области формирования многослойных структур из таких щелочных металлов, как литий, натрий и калий, внутри углеродных материалов для анодов. Эта технология может кардинально изменить рынок накопителей энергии, предложив решения для электромобилей с зарядкой за минуты и для стабильных, безопасных и дешёвых систем хранения энергии в «зелёной» энергетике.

Долгие годы существовало предположение, что ионы в аккумуляторах могут встраиваться в углеродные материалы, подобные графиту, лишь одноатомным слоем. Однако в 2018 году с помощью высокоточного электронного микроскопа учёные впервые увидели другую картину — сверхплотные, многоатомные слои лития, сформировавшиеся между двумя листами графена. Это фундаментальное открытие стало отправной точкой для новой области исследований, показывающей, что подобные плотные «сэндвичи» можно создавать не только с литием, но и с другими, более доступными металлами, такими как натрий, в различных формах углерода — от упорядоченного графена до неупорядоченного твёрдого углерода и специально сконструированных углеродных сфер.

Новая парадигма обладает сразу несколькими преимуществами. Во-первых, ёмкость: возможность упаковать в анод несколько слоёв металла вместо одного резко увеличивает количество хранимой энергии. Теоретические расчёты показывают, что графен с четырьмя слоями лития может обладать ёмкостью, втрое превышающей показатель лучшего современного графитового анода.

Во-вторых, скорость: специально созданные наноканалы и поры в углеродной матрице становятся «скоростными магистралями» для ионов. Это было продемонстрировано на примере натрий-ионных аккумуляторов на основе твёрдого углерода, которые сохраняют 83% своей ёмкости даже после 3000 циклов сверхбыстрой зарядки.

Не менее важным является аспект безопасности. Рост металлических дендритов, подобных иглам, — главная причина возгорания батарей. Новая технология кардинально решает эту проблему, заставляя металл осаждаться и растворяться внутри объёма стабильного углеродного каркаса, а не на его опасной поверхности, что исключает риск короткого замыкания.

«Наша работа открывает новую главу в материаловедении для энергетики, — поделился первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу Сколтеха. — Мы систематизировали доказательства того, что природа позволяет нам „упаковывать“ ионы в углерод гораздо плотнее, чем считалось возможным. Ключ — в инженерном дизайне самого углеродного носителя, то есть в создании атомарных каналов в графите, контроле размера нанопор в твёрдом угле или введении открытых мезоканалов в углеродные сферы. Каждая такая архитектура направляет ионы по оптимальному пути, позволяя формировать стабильные многослойные структуры, которые и являются источником рекордных характеристик».

Результаты работы намечают чёткий путь — от лабораторного открытия к промышленному производству. Уже сегодня такие методы, как «молекулярное туннелирование» с помощью аммиака для модификации графита или сложный синтез твёрдого углерода из биомассы, позволяют создавать рабочие прототипы анодов. Однако для массового внедрения предстоит решить комплекс взаимосвязанных задач:

• развитие передовых методов компьютерного моделирования, включая искусственный интеллект, для точного предсказания свойств материалов;

• совершенствование экспериментальных методик, позволяющих в реальном времени наблюдать за процессами внутри работающего аккумулятора на атомарном уровне;

• оптимизация самих процессов синтеза для их удешевления и масштабирования.

«Мы уже понимаем физические принципы и имеем первые работающие примеры. Следующая фаза — инженерная и технологическая. Нам нужно научиться не просто создавать уникальные материалы в лаборатории, а делать это дёшево, надёжно и в промышленных объёмах. Конвергенция вычислительных наук, передовой аналитики, искусственного интеллекта и химического синтеза — это тот инструментарий, который позволит перевести эти прорывные научные результаты в коммерческие продукты, определяющие облик энергетики будущего», — рассказал Александр Квашнин, соавтор работы, профессор Проектного центра по энергопереходу Сколтеха.

Исследования в области многослойного внедрения щелочных металлов в углеродные аноды — важное направление для преодоления ключевых ограничений современной аккумуляторной технологии, результаты которого помогут создать новый класс устройств для хранения энергии, сочетающих в себе высокую ёмкость, беспрецедентную скорость заряда, повышенную безопасность и сниженную стоимость.