Ученые открыли способ ускорить зарядку аккумуляторов в разы

Ученые из Берлина совершили неожиданный прорыв в создании аккумуляторов. Оказалось, что ключ к долголетию и скорости зарядки лежит не в идеальном порядке атомов, а в их тщательно спланированном беспорядке. Этот парадоксальный подход открывает путь к батареям нового поколения.

Революция в материаловедении

Долгие годы инженеры и ученые стремились создавать материалы для аккумуляторов с максимально упорядоченной структурой атомов — идеальной кристаллической решеткой. Считалось, что только такие «правильные» материалы могут обеспечить эффективное движение ионов лития или натрия внутри батареи во время зарядки и разрядки. Однако команда из Хумбольдтского университета в Берлине под руководством профессора Никола Пинны и доктора Патрисии Руссо доказала, что этот традиционный подход имеет серьезные недостатки. Слишком жесткие и упорядоченные структуры ограничивают скорость движения ионов, особенно при быстрой зарядке, и быстрее изнашиваются.

Их радикальное открытие заключается в концепции «управляемого беспорядка». Вместо того чтобы бороться за идеальный порядок, ученые предложили намеренно и контролируемо вносить в атомную структуру материала определенные несовершенства и нарушения. Этот спланированный «хаос» выполняет удивительную функцию. Он создает внутри материала множество дополнительных путей и «коротких дорожек» для ионов, а также увеличивает количество мест, где ионы могут эффективно накапливаться и отдавать заряд. Получается, что небольшой, специально созданный беспорядок на атомном уровне делает материал не хуже, а гораздо лучше для работы в аккумуляторе, особенно в экстремальных условиях быстрой зарядки и многолетней эксплуатации. Это принципиально меняет подход к проектированию батарей.

Конкретные успехи и будущее технологий

Теория «управляемого беспорядка» была успешно проверена на практике. Исследователи создали и испытали новые материалы для отрицательных электродов аккумуляторов. Первый тип — это ниобий-вольфрамовые оксиды с частично «разрушенной» упорядоченной структурой. Второй и особенно важный — материал на основе железа и ниобия, который удалось перевести в не упорядоченное состояние, ранее не использовавшееся в натрий-ионных батареях.

Результаты экспериментов подтверждают прорывной характер технологии:

1. Литий-ионные батареи с новыми анодами сохранили высокую емкость даже после 1000 циклов полной зарядки и разрядки. Это значительно больше, чем у многих современных коммерческих батарей, и говорит об их потенциальном долголетии.
2. Натрий-ионные батареи показали еще более выдающуюся стабильность, проработав без существенной потери емкости более 2600 циклов. Это делает их исключительно перспективными для массового применения, где важна долговечность и доступность материалов.

Секрет успеха как раз в неупорядоченной структуре. Ионы железа вызывают нужные локальные искажения, разрушая жесткий порядок и позволяя ионам натрия легко проникать в материал и выходить из него. При этом важные элементы структуры образуют прочный, но гибкий «каркас», который поддерживает материал и обеспечивает множество точек для быстрого накопления заряда. Эта комбинация хаоса и прочности и дает уникальный эффект: экстремально быстрая зарядка сочетается с феноменальной долговечностью.

Этот подход с «полезным хаосом» открывает путь к созданию нового поколения аккумуляторов — для электромобилей, которые заряжаются за минуты, для долговечных домашних систем хранения энергии от солнца и ветра, и для множества других устройств, где важны скорость, надежность и долгий срок службы батареи.

Автор: Илья Широков