Сколтех и Институт проблем химической физики РАН представили обзор, который может изменить будущее батарей. Исследователи показали: если «зажать» литий, натрий или калий между слоями графена или другого углерода, можно получить аноды, которые в несколько раз превосходят современные графитовые по ёмкости, скорости зарядки и безопасности. Работа опубликована в журнале ChemSystemsChem.

Почему обычные аноды уже не справляются

Графитовые аноды в литий-ионных аккумуляторах вмещают лишь один слой лития между графеновыми листами. Это ограничивает ёмкость и заставляет заряжать медленно. Кроме того, при быстрой зарядке литий начинает осаждаться на поверхности в виде дендритов — игольчатых структур, которые приводят к коротким замыканиям и пожарам.

В 2018 году высокоточный электронный микроскоп впервые показал: литий способен образовывать сразу несколько плотных слоёв внутри графена. Это открытие дало старт новому направлению — многослойному внедрению щелочных металлов.

Четыре слоя лития — в три раза больше ёмкости

Расчёты показывают: графен с четырьмя слоями лития обеспечивает ёмкость до 1100–1200 мАч/г — в три раза выше, чем у лучших графитовых анодов (372 мАч/г). Аналогичные структуры работают и с натрием, и с калием, что открывает путь к более дешёвым и экологичным натрий-ионным батареям.

Эксперименты уже подтвердили: прототипы натрий-ионных аккумуляторов сохраняют 83 % ёмкости после 3000 циклов сверхбыстрой зарядки. Это значит, что телефон или электромобиль смогут заряжаться за 5–10 минут без ущерба для долговечности.

Безопасность — главный бонус

Многослойные структуры заставляют металл осаждаться внутри объёма углерода, а не на поверхности. Дендриты просто не успевают вырасти — риск короткого замыкания и пожара резко падает.

«Мы систематизировали доказательства того, что природа позволяет нам упаковывать ионы в углерод гораздо плотнее, чем считалось возможным», — отметил соавтор исследования Илья Чепкасов.

От лаборатории к заводу: что осталось сделать

Учёные уже освоили методы модификации графита (например, молекулярное туннелирование аммиаком) и синтез твёрдого углерода из биомассы. Осталось научиться масштабировать процесс, наблюдать за реакциями в работающем аккумуляторе и снизить стоимость.

«Следующая фаза — инженерная и технологическая. Нам нужно научиться создавать эти материалы не только в лаборатории, но и в промышленных масштабах», — пояснил профессор Александр Квашнин.

Вкратце

Российские учёные доказали: многослойное внедрение лития, натрия и калия в углеродные матрицы даёт аноды в три раза ёмче графитовых, позволяет заряжать за минуты и почти полностью исключает дендриты. Это может привести к созданию дешёвых, безопасных и быстро заряжаемых батарей для смартфонов, электромобилей и энергосистем. Путь от лаборатории к заводу уже обозначен — осталось масштабировать технологию.