Group1 представила первую в мире высокопроизводительную калиево-ионную батарею 18650

Новая батарея от Group1 обещает высокую производительность и долгий срок службы.

Компания Group1 представила первую в мире калиево-ионную батарею в стандартном цилиндрическом формате 18650. Это событие произошло на 14-й ежегодной конференции Beyond Lithium и может стать важным шагом к созданию устойчивых и экономически выгодных альтернатив традиционным литий-ионным батареям.

Калиево-ионная батарея использует ионы калия вместо более распространённых ионов лития. Она имеет те же размеры, что и стандартная литий-ионная батарея формата 18650: диаметр 18 мм и длина 65 мм.

Новинка демонстрирует впечатляющие характеристики . Проведенные тесты подтвердили высокую долговечность батареи, позволяя ей выдерживать множество циклов зарядки и разрядки без значительной потери ёмкости. Это особенно важно для использования в электрических транспортных средствах, где долговечность батареи играет ключевую роль.

Кроме того, калиево-ионная батарея обладает высокой энергоёмкостью, сопоставимой с литий-железо-фосфатными батареями (LFP-LIB), и обеспечивает стабильное напряжение 3,7 В, что гарантирует совместимость с современными электронными устройствами и системами.

Решение использовать формат 18650 позволяет новинке легко интегрироваться в существующие устройства и приложения, исключая необходимость дорогих переработок. Это упрощает цепочку поставок и повышает производственные мощности, снижая зависимость от критически важных минералов, таких как никель, кобальт, медь и литий.

Калиево-ионная батарея Group1, оснащённая запатентованным катодным материалом Kristonite, может стать значимым прорывом в области аккумуляторных технологий. Она представляет собой жизнеспособную альтернативу литий-ионным и натрий-ионным батареям, которые сталкиваются с проблемами стоимости и эффективности.

Новое изобретение компании Group1 может изменить различные отрасли промышленности и способствовать созданию более устойчивой окружающей среды.
 

В Японии создана марганцевая батарея с высокой плотностью энергии — 820 Вт·ч/кг

Японские ученые из Иокогамского национального университета разработали литий-ионный аккумулятор с анодом на основе марганца, который обеспечивает плотность энергии 820 Вт·ч/кг, превосходя никель-кобальтовые аккумуляторы (750 Вт·ч на кг). Новый метод синтеза батареи LiMnO2 устраняет проблемы производительности и позволяет создать более экономичный и экологически чистый аккумулятор. Команда видит большой потенциал для коммерциализации этой разработки и ее применения в быстро развивающемся сегменте электромобилей.

Производители электромобилей предпочитают аккумуляторы на основе никеля и кобальта, поскольку они обеспечивают более высокую плотность энергии, что означает больший запас хода при меньшем размере аккумуляторной батареи. Однако оба компонента являются дорогими в добыче и относительно редкими, поэтому для массового производства электромобилей они не подходят. Литий-ионные аккумуляторы традиционно используются в большинстве портативных электронных устройств. Однако их относительно низкая плотность энергии ограничивает их применение в электромобилях. Ученые работают над тем, чтобы сделать такие батареи эффективнее и мощнее.

«Если ИИ — это мозг робота, то RPA — его руки». Что умеют программные роботы
Активно исследуется использование марганца в качестве компонента анодного материала литий-ионных аккумуляторов (например, в соединениях типа LiMnO2). Однако низкая производительность таких электродов ограничивала их практическое применение. Ученые из Японии в своей последней работе нашли решение этой проблемы.

Изучая различные формы соединения LiMnO2 с помощью рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и электрохимических методов, ученые обнаружили, что определенная кристаллическая структура (мономорфная слоистая область) способна запускать изменение структуры этого соединения. В результате оно становится более похожим на минерал шпинель. Такое изменение структуры улучшает характеристики электродного материала, облегчая фазовый переход. Без него батареи работали бы менее эффективно.

Исследователям удалось напрямую синтезировать наноструктурированный LiMnO2 с моноклинной слоистой доменной структурой и высокой удельной поверхностью методом простой твердотельной реакции. Этот метод исключает необходимость в промежуточных стадиях и позволяет получить целевой продукт путем прямого спекания двух исходных компонентов.

Тестирование показало, что батарея с электродом LiMnO2 достигает плотности энергии 820 Вт·ч на кг по сравнению с 750 Вт·ч на кг у никель-кобальтовых аккумуляторов. Батареи только на основе лития имеют еще более низкую плотность энергии 500 Вт·ч на кг.

Исследователи сообщили, что марганец, применяемый в других полиморфных модификациях, как правило, демонстрирует вдвое меньшую плотность энергии. В предыдущих исследованиях с использованием марганца выходное напряжение со временем уменьшалось, что приводило к снижению производительности электронных устройств. Однако с электродом LiMnO2 подобного эффекта не было. Проблемой остается растворение марганца, вызванное фазовыми переходами или кислотной средой. Для его предотвращения ученые предлагают использовать концентрированный электролит и покрытие из фосфата лития.

CATL представила аккумулятор со сроком службы 15 лет или 1,5 млн км — его применят в электробусах

Компания Contemporary Amperex Technology (CATL) представила новую аккумуляторную батарею Tianxing-B (Tectrans B), которая предназначена для использования в электробусах. По заявлению разработчиков, плотность хранения энергии в новом аккумуляторе составляет 175 Вт·ч/кг, а его главная особенность — повышенная износостойкость. Аккумулятор способен обеспечить до 1,5 млн км пробега или эксплуатироваться в течение 15 лет.

Во время онлайн-презентации Tianxing-B говорилось, что компания будет предоставлять на новинку 10 лет гарантии или 1 млн км пробега. Благодаря корпусу, который защищает аккумулятор от влаги по стандарту IP69, батарея может находиться под водой до 72 часов. CATL планирует задействовать Tianxing-B в 80 разных моделях электробусов и уже успела заключить партнёрские соглашения с 13 производителями транспортных средств на электрической тяге, включая Dongfeng, Golden Dragon и Yutong Bus.

  
Отмечается, что CATL использует разные названия для батареи Tianxing-B. Иногда её называют Tianxing Bus Edition или Tianxing B-series. Сам бренд ранее носил имя Tianxing, но на недавнем мероприятии, посвящённом презентации аккумулятора в Германии, CATL назвала его Tectrans. Под брендом Tianxing компания выпускает аккумуляторы для коммерческих электромобилей.

Одним из новых продуктов подразделения стад аккумулятор Tianxing-L для легковых авто, обеспечивающий ёмкость до 200 кВт·ч, плотность хранения энергии 200 Вт·ч/кг с гарантией в течение 8 лет или 800 тыс. км пробега. Он также поддерживает технологию быстрой зарядки 4C, которая позволяет восполнить 60 % энергии за 12 минут.

В Китае создали устойчивый к порезам и деформациям литий-серный аккумулятор — он работает даже повреждённым

Группа китайских учёных представила прототип литий-серного аккумулятора, устойчивого к повреждениям. Целью работы являлось создание более безопасной альтернативы литийионным аккумуляторам, которые подвержены воспламенению при повреждениях. Новый аккумулятор показал абсолютную надёжность, продолжая работать даже после того, как его перегнули пополам, а потом половину отрезали.

Для литий-серных аккумуляторов большой проблемой остаётся низкое число циклов заряда и разряда, что сдерживает их коммерциализацию. Учёные из Университета электронных наук и технологий Китая, Китайского института передовых технологий хранения энергии на озере Тяньму, Китайской академии наук и канадского университета Британской Колумбии включились в поиск соединений и решений, которые могли бы повысить цикличность этих перспективных батарей.

В основе катодов перспективных Li-S-аккумуляторов были использованы сульфиды переходных металлов. Основная проблема с такими соединениями в том, что при высоком нагреве полисульфиды начинали активно перемещаться по электролиту, что вело к вспучиванию аккумуляторов и затуханию электрохимических реакций. Отчасти эту проблему решали электролиты на основе карбонатов, но они также создавали другую проблему — вызывали появление осадка (пассивацию) на электродах аккумулятора, что быстро сокращало количество циклов его работы.

Для защиты катода из сульфида железа (FeS2) и анода с высоким содержанием металлического лития от выпадения осадка исследователи использовали три разных покрытия электродов: полиакриловую кислоту (PAA), полиакриламид (PAM) и полиэтиленоксид (PEO). Все эти соединения обладали хелатным эффектом (связывали «нехорошие» ионы), что предупреждало выпадение осадка на электродах. Эксперименты показали, что покрытие электродов полиакриловой кислотой дало наибольший эффект.

После 300 циклов перезарядки прототип аккумулятора формфактора «мешочек» сохранил 72 % первоначальной ёмкости, показав полное отсутствие снижения после первых 100 циклов. Сгибание аккумулятора пополам, а затем отрезание его половины не привели к отказу и взрыву батареи, что произошло бы в случае обычного литий-ионного аккумулятора, что доказывает абсолютную безопасность перспективных батарей. Однако над ними ещё предстоит немало работы до перехода к коммерческому производству.

Представлен первый литий-ионный аккумулятор с ниобиевым анодом

Батарея XN50, которую представила швейцарская компания Leclanché SA, отличается от привычных литий-ионных аккумуляторов инновационным анодом, который, как утверждается, превосходит современные решения, особенно для тяжелых грузовиков, локомотивов и судов на электротяге. Новые элементы питания обещают на 15% увеличить устойчивость к потере емкости после 1000 циклов при температуре 45°C.

В основе батарей швейцарской Leclanché SA — анод, изготовленный из материала, разработанного стартапом Echion. В 2017 году его основали выпускники Кембриджского университета. Защищенный множеством патентов рецепт анода основан на смеси оксида ниобия и микрочастиц. Они оптимизированы для работы с различными процессами экструзии и совместимы со стандартными токосъемниками, разделителями, электролитами и катодами.

Расчетный срок службы аккумулятора — свыше 10 000 циклов. Высокая выходная мощность сохраняется даже после длительного использования: прирост устойчивости элементов XN50 после 1000 циклов полной разрядки при температуре 45°C составил 15%. Кроме того, применение катода на основе воды и без богатых фтором соединений ПФАС снижает нагрузку на окружающую среду.
XN50 заменят прежние литий-титанатные (LTO) аккумуляторы Leclanché SA на новые модули, которые дополнят существующие графитовые и литий-никель-марганец-кобальт-оксидные батареи (G/NMC). Их плотность энергии на 50% выше, чем у технологии LTO, вдобавок, они поддерживают ускоренную зарядку. Элемент прекрасно работает в суровых условиях, демонстрируя повышенную производительность и безопасность, пишет IE.

Аккумуляторы XN50 в первую очередь предназначены для электрического грузового транспорта — автомобильного, железнодорожного и морского — а также для решения промышленных задач.

В прошлом году китайские геологи официально подтвердили, что открыли новый вид руды в крупнейшем в мире месторождении редкоземельных металлов. Как оказалось, в ней содержится ниобий, элемент, обладающий ценными сверхпроводящими свойствами.

В Китае создали прототип литий-серного аккумулятора с рекордной плотностью энергии — 700 Вт·ч/кг

Китайская компания General New Energy (GNE) представила прототип перспективного литий-серного аккумулятора с рекордной плотностью запасания энергии на уровне 700 Вт·ч/кг. Это более чем в три раза превышает возможности среднестатистических литийионных аккумуляторов. Также литий-серные аккумуляторы безопасны при эксплуатации и содержат меньше дефицитного сырья. Осталось дождаться серийного производства чудо-аккумуляторов, но о нём пока неизвестно.

Компания General New Energy основана в 2022 году на базе международной группы учёных во главе с исследователем из Китая. Компания имеет собственные производственные мощности и намерена сама заниматься выпуском перспективных аккумуляторов. Заявленная рекордная плотность энергии прототипа литий-серного аккумулятора на уровне 700 Вт·ч/кг просто меркнет на фоне перспектив достижения ими плотности энергии 2600 Вт·ч/кг, что особенно важно для развития электрической авиации.

Литий-серные аккумуляторы разрабатывают много именитых компаний и стартапов. Это крепкие орешки для исследователей. Соединения серы имеют низкую проводимость и это снижает потенциал мощности литий-серных батарей. Также соединения серы и лития повышают вязкость электролитов, что снижает электропроводность и даже ведёт к усадке аккумуляторов, что грозит их физическим разрушением. Учёным пришлось много поработать, создавая компенсирующие недостатки серы присадки для электролитов и покрытия для катодов, в которых используется сера, тогда как аноды литий-серных аккумуляторов по-прежнему изготавливаются из металлического лития.

  

К счастью, прогресс есть. Литий-серные аккумуляторы появились в виде прототипов и исследуются автопроизводителями во многих странах. Как и любая новая технология — это пока дорого, но перспективы у нового типа аккумуляторов есть и они востребованы.

Новый рекорд скорости ионов: аккумуляторы смогут заряжаться быстрее

Ученые из Университета штата Вашингтон и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обнаружили способ заставить ионы двигаться более чем в 10 раз быстрее в смешанных органических ионно-электронных проводниках. Они сочетают в себе преимущества ионной сигнализации, используемой во многих биологических системах, включая человеческое тело, и электронной сигнализации, используемой в компьютерах.

Новая разработка, подробно описанная в журнале Advanced Materials, ускоряет движение ионов в проводниках за счет использования молекул, которые притягивают и концентрируют ионы в отдельный наноканал, создавая тип крошечной «ионной супермагистрали». «Возможность управлять этими сигналами, которые постоянно использует жизнь, так, как мы никогда не умели, очень велика», – говорит Брайан Коллинз, старший автор исследования.  «Это ускорение также может иметь преимущества для хранения энергии».

Такие проводники обладают большим потенциалом, поскольку позволяют перемещать ионы и электроны одновременно, что очень важно для зарядки аккумуляторов и хранения энергии. Они также используются в технологиях, объединяющих биологические и электрические механизмы, таких как нейроморфные вычисления, которые пытаются имитировать мыслительные процессы в человеческом мозге и нервной системе.

Однако как именно эти проводники координируют движение ионов и электронов, было не очень понятно. В ходе работы над исследованием Коллинз и его коллеги заметили, что ионы перемещаются внутри проводника относительно медленно, что также замедляет электрический ток. «Мы обнаружили, что ионам в проводнике приходится проходить через матрицу, похожую на крысиное гнездо трубопроводов, по которым движутся электроны. Это замедляло движение ионов», – говорит Коллинз.

Чтобы решить эту проблему, исследователи создали прямой канал нанометрового размера только для ионов, затем необходимо было привлечь ионы к нему. Для этого ученые обратились к биологии. Все живые клетки используют ионные каналы для перемещения соединений в клетки и из клеток, поэтому команда Коллинза использовала аналогичный механизм: молекулы, которые любят или ненавидят воду.

Сначала исследователи покрыли канал водолюбивыми гидрофильными молекулами, которые притягивали ионы, растворенные в воде, также известные как электролиты. Затем ионы стали очень быстро перемещаться по каналу – со скоростью, более чем в 10 раз превышающей ту, с которой они двигались бы только по воде. Их перемещение стало новым мировым рекордом по скорости движения ионов в любом материале.

И наоборот, когда исследователи выстилали канал гидрофобными, отталкивающими воду молекулами, ионы оставались в стороне и вынуждены были двигаться через более медленное «крысиное гнездо». Команда обнаружила, что химические реакции могут изменять привлекательность молекул для электролита. Это открывает и закрывает ионную супермагистраль, подобно тому, как биологические системы контролируют доступ через клеточные стенки.

Ученые создали датчик, который мог быстро обнаружить химическую реакцию вблизи канала, поскольку она открывала или закрывала ионную магистраль, создавая электрический импульс, который мог считывать компьютер. По словам Коллинза, эта способность может помочь в обнаружении загрязнений окружающей среды или нейронов в теле и мозге, что является одним из многих потенциальных применений данной разработки.

Следующим шагом будет изучение всех фундаментальных механизмов управления движением ионов и внедрение этого явления в технологии. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

Литий-серные аккумуляторы приблизились к серийному производству

Исследователи из Университета Монаш в Австралии разработали (https://newatlas.com/energy/ghove-lithium-sulfur-battery-evtol/) технологию, удвоившую эффективность литий-серных (Li-S) батарей. Применение комплекса поливинилпирролидона ускорило химические реакции, решив главную проблему — медленную зарядку и разрядку.

Новые аккумуляторы достигают плотности энергии 400 Вт·ч/кг против 150-235 Вт·ч/кг у литий-ионных. Это особенно важно для электрических летательных аппаратов, требующих высокой мощности при взлёте и посадке. Дополнительные преимущества — меньший вес, низкая стоимость и отсутствие редкого кобальта.

Для коммерциализации технологии создана компания Ghove Energy. Основной конкурент — китайская CATL, заявившая о разработке батарей с плотностью 500 Вт·ч/кг, уже тестируемых на 4-тонных самолётах. В перспективе они должны обеспечить дальность полёта до 3000 км для четырёхместных воздушных судов.

Запущена Cobra — линия, которая приблизила массовый выпуск передовых твердотельных аккумуляторов QuantumScape

Американская компания QuantumScape сообщила о завершении установки передовой и не имеющей аналогов линии по производству керамических сепараторов для коммерческих твердотельных литиевых аккумуляторов. Линия Cobra предназначена для значительного увеличения производства образцов фирменных аккумуляторов компании, поставки которых начнутся в 2025 году. До массового выпуска твердотельных аккумуляторов — рукой подать.

Разработка линии Cobra, её производство, монтаж и наладка были полностью осуществлены силами QuantumScape. Ранее в этом году компания начала поставки клиентам твердотельных ячеек QSE-5 ёмкостью 5 А·ч. Запуск новой линии ускорит производство элементов ячеек и самих аккумуляторов. Хотя это пока не коммерческое производство, с высокой вероятностью QuantumScape станет первой компанией, которая освоит коммерческий выпуск твердотельных аккумуляторов. Напомним, что CATL намерена к 2027 году освоить лишь мелкосерийное производство таких батарей.

Поставки образцов QSE-5 в 2025 году будут осуществляться производителям электромобилей. Ячейки QSE-5 обладают впечатляющими характеристиками: удельная ёмкость 301 Вт·ч/кг или 844 Вт·ч/л и возможность зарядки от 10 до 80 % всего за 12 минут. Кроме того, они являются пожаробезопасными и могут работать в расширенном диапазоне температур. А в процессе испытаний твердотельный аккумулятор QuantumScape выдержал 483 тыс. км пробега с минимальным износом.

QuantumScape финансово поддерживается Volkswagen и одним из фондов Билла Гейтса (Bill Gates). Эти компании и фонды поддерживали QuantumScape на протяжении 10 лет до её выхода в публичное пространство, что говорит о высоких перспективах компании и её продукции.

Разработан прорывной электролит для твердотельных батарей

Твердотельные батареи с анодом из металлического лития обладают значительно более высокой плотностью энергии, по сравнению с литий-ионными элементами питания. Но, к сожалению, они подвержены разрушительному воздействию дендритов, кристаллических отростков, которые снижают их стабильность и безопасность. Специалисты из Канады и США разработали твердотельный электролит, поддерживающий стабильность цикла зарядки и разрядки.

Главное ограничение роста рынка электромобилей, по мнению исследователей, в ограниченном запасе хода современных аккумуляторов. В первую очередь, это объясняется низкой — около 300 Вт*ч/кг — плотностью энергии литий-ионных батарей. Твердотельные литий-металлические батареи могут достигать 500 Вт*ч/кг и обеспечивать запас хода более 1000 км.

До сих пор развитию литий-металлических батарей мешало отсутствие надежных и производительных твердотельных электролитов, пишет Phys. Таким образом, главной задачей ученых из Западного университета и Университета штата Мэриленд стала разработка нового электролита, сочетающего высокую стабильность по отношению к металлическому литию с высокой ионной проводимостью.

Исследователи начали с нитридов, материала с достаточно высокой стабильностью, но низкой ионной проводимостью. И разработали на их основе β-Li3N. В предварительных испытаниях электролит продемонстрировал 100-кратное увеличение ионной проводимости и большую стабильность по сравнению с имеющимися видами нитридов лития.
Благодаря дефектам в кристаллической структуре, таким как вакантные места, ученые смогли снизить энергетические барьеры и повысить количество подвижных ионов лития. Этот материал поможет преодолеть ограничения, свойственные производительным твердотельным батареям, утверждают авторы исследования.

Несмотря на существенный прогресс в разработке традиционных литий-ионных элементов питания, они остаются объемными, тяжелыми и огнеопасными — не лучшее сочетание качеств для наземного или воздушного транспорта. Китайские ученые представили новую технологию твердотельных литиевых батарей, которая обещает сделать аккумуляторы безопасными и очень недорогими.

Учёные из Израиля нашли способ ускорить анализ аккумуляторов, что поможет быстрее создавать более безопасные и ёмкие батареи.

Новая методика позволяет изучать химический состав за часы вместо лет.

Учёные разработали способ, который помогает за часы изучать химический состав аккумуляторов, сокращая время исследований с лет до дней. Это открытие может ускорить создание более безопасных и ёмких батарей.

Литийионные аккумуляторы уже 25 лет остаются основой для портативной электроники и электромобилей. Но для их совершенствования требуется решить множество проблем. Одной из главных остаётся рост дендритов — тонких нитей лития, которые могут вызывать короткие замыкания и пожары.  

Переход на твёрдые электролиты — смесь керамики и полимеров — помогает бороться с этой проблемой. Однако подбор оптимального состава материалов усложняется, так как ключевые процессы происходят на границе анода и электролита в области толщиной всего 5–50 нм.  

Исследователи из Института Вейцмана разработали новую методику для изучения этих пограничных слоёв. Они объединили ядерный магнитный резонанс (ЯМР) с динамической поляризацией ядер, усиливая отклик материала с помощью радиочастотного поля. Это позволило получать данные о химическом составе слоёв всего за несколько часов.  

Результаты исследования показали, что оптимальным соотношением в твёрдом электролите будет 40 % керамики. Такой состав сохраняет высокую ёмкость, цикличность и безопасность аккумуляторов.    

Учёные надеются, что их открытие ускорит разработку более эффективных и безопасных аккумуляторов. Новая методика позволяет глубже понять процессы внутри батарей и быстрее находить решения для улучшения их характеристик.  

Эти исследования показывают, как фундаментальная наука может находить практическое применение, улучшая технологии, которые влияют на жизнь каждого.

Литий-ионные аккумуляторы нового поколения порадуют ускоренной зарядкой и более длительным сроком службы

Естественные процессы. Но хочется настоящего прорыва.

Две независимые исследовательские группы сообщили о новых достижениях в технологии производства литий-серных аккумуляторов. Так, одна команда сосредоточилась на улучшении материала катода, другая разработала инновационный твердый электролит.

Исследователи из DGIST под руководством профессора Чон-сона Ю разработали пористый углеродный материал с примесью азота. Этот материал, синтезированный с помощью технологии магниево-термического восстановления, служит носителем серы в катоде аккумулятора. В результате ёмкость аккумулятора достигла 705 мАч г⁻¹, даже при полной зарядке всего за 12 минут. Таким образом, благодаря новой углеродной структуре, созданной при помощи магния и азота, аккумулятор может хранить больше энергии и заряжаться быстрее. Это привело к увеличению ёмкости в 1,6 раза по сравнению с обычными аккумуляторами в условиях быстрой зарядки. Кроме того, добавление азота подавляет миграцию полисульфидов лития, позволяя аккумулятору сохранять 82% ёмкости после 1000 циклов зарядки-разрядки.

Учёные из Аргоннской национальной лаборатории подтвердили, что благодаря новой структуре сера внутри аккумулятора располагается оптимальным образом, что улучшает его работу и позволяет быстрее заряжаться.

Вторая группа исследователей из Китая и Германии представила твёрдый электролит, призванный ускорить химическую реакцию между ионами лития и серой. Этот стеклообразный материал состоит из бора, серы, лития, фосфора и йода. Ключевая особенность — включение йода в электролит. Благодаря быстрой передаче электронов, йод действует как посредник, значительно ускоряя реакции на электродах. Предполагается, что подвижность йода внутри электролита позволяет ему функционировать как «челнок» для электронов.

Результаты впечатляют: при сверхбыстрой зарядке (чуть больше минуты) аккумулятор заряжается лишь наполовину по сравнению с зарядкой, которая работает в 25 раз медленнее. При более длительной, но всё ещё достаточно быстрой зарядке аккумулятор сохранил более 80% первоначальной емкости после 25 000 циклов. Это намного превосходит показатели обычных литий-ионных аккумуляторов, которые теряют аналогичную ёмкость примерно после 1000 циклов.

Указанные выше достижения приближают производителей электроники к практическому применению литий-серных аккумуляторов нового поколения. Работа команды DGIST демонстрирует потенциал новых катодных материалов для быстрой зарядки, а китайско-немецкое исследование — преимущества твердых электролитов для увеличения срока службы и скорости зарядки.

Литий-серные аккумуляторы достигли рекордной скорости зарядки

Международная группа учёных разработала инновационные компоненты для литий-серных батарей, значительно улучшив их характеристики. Южнокорейские исследователи создали углеродный материал с азотным допированием, позволивший достичь ёмкости 705 мАч/г при 12-минутной зарядке — в 1,6 раза выше стандартных показателей.

Параллельный прорыв совершили учёные из Китая и Германии, разработав твёрдый электролит на основе бора, серы, лития, фосфора и йода. Батареи с новым электролитом заряжаются за минуту и сохраняют 80% ёмкости после 25 000 циклов, что существенно превосходит показатели литий-ионных аккумуляторов.

Технология перспективна благодаря теоретической плотности энергии в 2-5 раз выше существующих батарей, а также использованию более дешёвой и экологичной серы вместо кобальта.

В США разработали твердотельные аккумуляторы на ионах алюминия — большие, дешёвые и экологически чистые

Практика показывает, что использование литиевых аккумуляторов в системах хранения энергии коммунального масштаба может быть небезопасным. Возникновение пожара в таких хранилищах — это относительно частое явление, бороться с которым потом тяжело. Но прежде всего — это очень дорогое удовольствие, окупаемость которого растягивается на многие годы. Для систем коммунального хранения энергии нужны недорогие и экологически чистые решения, и они есть.

Учёные Вэй Ван (Wei Wang), Шуцян Цзяо (Shuqiang Jiao) и их коллеги из Американского химического общества (ACS) разработали, как они заявляют, безопасные и экологически чистые аккумуляторы на ионах алюминия. Точнее, они улучшили алюминиево-ионные аккумуляторы с жидким электролитом, создав твердотельный электролит и избавив перспективные аккумуляторы от его «детских болезней».

Предыдущие разработки алюминиево-ионных аккумуляторов с жидким электролитом были ограничены двумя факторами: наиболее распространённый для них электролит — жидкий хлорид алюминия — разъедал алюминиевый анод и был очень чувствителен к влаге, что усугубляло коррозию. С такими особенностями нельзя было рассчитывать на длительную работу данного типа аккумуляторов.

Исследователи добавили в электролит соли фторида алюминия. Электролит на этой основе получился пористым, что способствовало равномерному перемещению ионов алюминия, а также повышало проводимость электролита. Кроме того, когда исследователи создавали свой ионно-алюминиевый аккумулятор, они использовали карбонат фторэтилена в качестве связующей добавки для создания тонкого твёрдого покрытия на электродах, предотвращающего образование кристаллов алюминия, что ухудшало работоспособность аккумулятора.

В ходе экспериментов была отмечена повышенная влагостойкость аккумулятора, а также физическая и температурная стабильность. Более того, в новом исполнении аккумулятор без воспламенения выдерживал многократные удары острым предметом. Он также не повреждался при нагреве до 200 ℃. Наконец, аккумулятор продемонстрировал исключительно длительный срок службы, выдержав 10 000 циклов зарядки-разрядки при потере менее 1 % от первоначальной ёмкости.

Предложенный для аккумулятора на ионах алюминия твёрдый электролит допускает промывку и повторное использование с небольшими потерями в характеристиках. Это мечта, а не аккумулятор, но он требует улучшения как для увеличения циклов, так и ёмкости, добавляют учёные.

Интересно добавить, что это исследование финансировалось со стороны Национального фонда естественных наук Китая, Пекинской программы Nova и междисциплинарного исследовательского проекта для молодых преподавателей Пекинского университета науки и технологий.

Китайские учёные создали сверхёмкую литий-водородную батарею

Исследователи из Китайского университета науки и технологий разработали (https://www.eurekalert.org/news-releases/1073607) новый тип аккумулятора, использующий водородный газ в качестве катода. Инновационное решение позволило достичь плотности энергии 2825 ватт-часов на килограмм при напряжении 3 вольта - значительно выше предыдущих версий с показателем 200 ватт-часов на килограмм.

Конструкция включает металлический литий в роли анода, газодиффузионный слой с платиновым покрытием как водородный катод и твердотельный электролит LATP. Эффективность заряда-разряда достигает 99,7%. Разработана также версия без анода, где литий формируется во время зарядки из солей LiH2PO4 и LiOH в электролите.

Технология превосходит никель-водородные аккумуляторы по плотности энергии и эффективности. Безанодная версия упрощает производство и снижает стоимость. Батареи могут найти применение в электромобилях, энергосетях и космической технике.

Разработана прорывная литий-серная батарея

По мере того, как катоды в литий-ионных батареях приближаются к теоретическому пределу своих возможностей, ученые все активнее разрабатывают альтернативные решения. Литий-серные батареи отличаются высокой удельной емкостью, дешевизной и безопасностью для окружающей среды. Китайские ученые смогли избавиться от нескольких недостатков этого типа аккумулятора, увеличив проводимость, стабильность работы и удержание серы. Даже после 300 циклов емкость батареи оставалась на уровне 601,54 мАч/г, при этом средний спад емкости составил всего 0,16% за цикл, что намного превосходит коммерческие аналоги.

Несмотря на высокий потенциал, литий-серные батареи не могут похвастаться высокой проводимостью и долговечностью. Промежуточные соединения серы затрудняют транспорт ионов, катод при полном цикле расширяется на 80%, а челночное движение полисульфида вызывает саморазряд. Все это снижает эффективность и срок службы батареи, сообщает IE.

Ученые из Шанхайского университета Цзяотун разработали на основе металл-органических координационных полимеров (МОСР) иерархическую пористую структуру из диоксида титана и нанопористого углерода. Из этого материала и был изготовлен катод с высоким содержанием серы, обладающий повышенной проводимостью, стабильностью и максимальным уровнем удержания серы.
На начальном этапе многоэтапного процесса подготовки ученые синтезировали предшественники МОКП из фталевой кислоты и тетрабутилтитаната. Затем последовала ультразвуковая обработка и интенсивное перемешивание для обеспечения надлежащего формирования материала-предшественника. После этого смесь нагревали в гидротермальном котле при 155°C в течение 20 часов, промыли, высушили и карбонизовали в течение 12 часов при 500°C в азотной среде в высокотемпературной трубчатой печи. Наконец, смесь соединили с сублимированной серой, запечатали в вакууме и нагревали в течение 12 часов при температуре 160 °С.

Анализ материала с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов показал, что сера проникла в поры материала, а изучение рентгеновской дифракции подтвердило хорошую дисперсию серы. Были обнаружены также сильные связи O-S и Ti-S, стабилизирующие серу и снижающие челночный эффект. Термогравиметрический анализ показал содержание серы на уровне 64,09%, а расчет по методу Брунауэра — Эммета — Теллера выявил многоуровневую пористую структуру с площадью поверхности 155,34 м²/г, что свидетельствует об улучшенном проникновении электролита и ассимиляции расширения серы.

Электрохимические испытания подтвердили высокую производительность электрода: эксперименты по заряду-разряду при рейтинге батареи 0,5 С — при котором аккумулятор разряжается наполовину за час — показали начальную емкость 1327,35 мАч/г.

Даже после 300 циклов емкость оставалась на уровне 601,54 мАч/г, при этом средний спад емкости составил всего 0,16% за цикл, что намного превосходит коммерческие аналоги.
В тестах на производительность при рейтинге 1 С емкость составила 928 мАч/г, а при 1,5 С достигла 743 мАч/г. Другие испытания показали, что катод обладает пониженным сопротивлением переносу заряда, что свидетельствует о лучшей проводимости.

Американские ученые предлагают в качестве альтернативы цинк-серные аккумуляторы, которые основаны на более доступных материалах. Новая технология, использующая пропиленгликольметиловый эфир и цинк-йодид, улучшает энергоемкость, проводимость и стабильность, а также решает проблему роста цинковых дендритов.

Щелочные и литиевые батарейки

Рекордный суперконденсатор сохраняет 81% мощности после 10 000 циклов

Группа исследователей из Китая разработала гибридный электролит для суперконденсаторов, который позволяет достичь термической стабильности при работе под высоким напряжением. Суперконденсатор с этим электролитом работает при напряжении 3,37 В, что втрое превышает характеристики водных аналогов. Еще он стабильно функционирует при температурах от 0 °C до 100 °C и сохраняет 81,8% емкости после 10 000 циклов при 60°C. Разработка может использоваться в системах рекуперативного торможения транспортных средств, источниках питания и электронных устройствах.

Суперконденсаторы, или ионисторы, функционируют как накопители энергии. В отличие от аккумуляторов, которые запасают электрическую энергию посредством химических реакций, конденсаторы используют разделение заряженных частиц — ионов. В этих устройствах используется электролит (обычно ионизированная вода), сепараторы и два электрода с большой площадью поверхности. Это позволяет достичь более высокой емкости хранения энергии, чем у традиционных конденсаторов.

Суперконденсаторы работают как быстро перезаряжаемые батареи, достигая полной зарядки за секунды, а не за часы. В отличие от обычных батарей, они высвобождают энергию мгновенно, а не хранят её долго. Под действием внешнего напряжения ионы электролита движутся к электродам с противоположным зарядом, формируя двойные зарядовые слои. Чем больше напряжения подается на цепь, тем больше заряда и энергии удерживает ионистор.

Проблема заключается в том, что вода распадается на ионы при повышении напряжения, что ограничивает емкость хранения энергии. А при экстремальных температурах вода либо замерзает, либо испаряется, что тоже плохо сказывается на работе устройства. Эти факторы препятствуют широкому применению суперконденсаторов.

Тогда ученые разработали гибридный электролит с тремя компонентами: вода, ионизированная жидкость EMIMNTf₂, сохраняющая жидкое состояние при комнатной температуре, и калиевая соль KOTf. В обычных условиях ионная жидкость плохо смешивается с водой, однако добавление калиевой соли улучшает этот процесс.

Компоненты электролита меняют расположение молекул воды вокруг ионов калия. Это не дает воде распадаться при высоком напряжении. Чем меньше свободных молекул воды, тем меньше вредных реакций, и суперконденсатор может работать при более высоких напряжениях. Кроме того, электролит стабилен при экстремальных температурах, в отличие от воды.

Суперконденсатор с новым электролитом функционирует при 3,37 Вт, что втрое лучше, чем водные аналоги. Устройство стабильно работает при температурах от 0 °C до 100 °C и сохраняет 81,8% емкости после 10 000 циклов заряда при 60 °C.

Создан прорывной электролит для литий-металлических батарей

Традиционные жидкие электролиты подвержены образованию кристаллических отростков, или дендритов, что ведет к потере емкости и угрозе воспламенения. Команда ученых из Китая разработала новый гелеобразный полимерный электролит с локализованной высококонцентрированной сольватационной структурой. Он продемонстрировал исключительную стойкость к окислению и высокую ионную проводимость при комнатной температуре, а также работоспособность при низких температурах и устойчивость к механическому давлению.

На фоне растущим спросом на батареи повышенной плотности энергии ученые из Нанкайского университета разработали высоковольтный электролит, совместимый с литиевыми анодами и катодами. Уникальная сольватационная структура электролита повысила стабильность на границе электролита и электрода, подавила рост дендритов и обеспечила высокие эксплуатационные характеристики в широком диапазоне температур.

Синтез гелеобразного полимерного электролита с локализованной высококонцентрированной сольватационной структурой включал полимеризацию однородного исходного раствора, состоящего из триэтиленгликольдиметакрилата в качестве мономера и специально разработанного пластификатора, при температуре 60°С внутри элемента питания.

Разработанная для стабилизации высоковольтных характеристик, сольватационная структура способствует образованию неорганически богатой интерфазы, которая блокирует дендриты и защищает катод, рассказывает IE.
В итоге литий-металлическая батарея типа 18650, работающая при напряжении 4,7 В, показала плотность энергии до 250 Вт*ч/кг. Когда критическое напряжение, при котором аккумулятор считается полностью разряженным, возросло до 4,8 В, элементы питания сохранили стабильность разрядки-зарядки на протяжении 150 циклов с уровнем 0,5 С, обеспечивая высокую удельную емкость 248 мА*ч/г.

Вдобавок, при практическом использовании новая технология позволяет твердотельным литий-металлическим батареям типа 18650 достигать плотности энергии от 250 до 283 Вт*ч/кг при напряжении от 4,6 до 4,7 В. В ходе испытаний на прокол гвоздем элемент не показал утечки или возгорания. Это выгодно отличает его от батарей с жидким электролитом, которые в аналогичной ситуации часто воспламеняются. Более того, он сохранял высокие эксплуатационные характеристики даже при температуре –15 градусов.

Исследовательская команда из Южной Кореи разработала технологию, которая значительно повышает стабильность сверхтонких металлических анодов толщиной всего 20 мкм.

Toshiba создала литиевые аккумуляторы, которые заряжается до 80 % за 6 минут и выдерживает 20 000 циклов

Со 2 по 4 июля в Бангкоке пройдёт выставка «Азиатская неделя устойчивой энергетики 2025» (ASEW 2025). На этом мероприятии японская компания Toshiba представит свои новейшие литиевые аккумуляторы SCiB со сверхбыстрой зарядкой. Выставка должна стать для Toshiba трамплином для выхода на рынок электрического транспорта в Юго-Восточной Азии, электрификация которого пока не носит масштабного характера. Новые аккумуляторы могут это изменить.

Полной информации о новинке пока нет. Известно лишь, что аккумуляторы способны заряжаться до 80 % ёмкости за 6 минут, выдерживая колоссальные токи без риска возгорания. Особое внимание было уделено температурной устойчивости, поскольку эксплуатация в регионе Юго-Восточной Азии будет проходить в условиях постоянной жары. Именно высокая температура до сих пор оставалась главным сдерживающим фактором для повсеместного применения литиевых батарей в транспорте.

Засилье двухколёсного транспорта в Бангкоке и других городах региона подтолкнуло Toshiba к запуску пилотной программы предоставления аккумуляторов как услуги. Владельцы скутеров и аналогичной техники смогут арендовать аккумуляторы без необходимости полной покупки, просто обменивая разряженные батареи на заряженные. В случае успеха программа будет распространена и на другие виды транспорта — от фургонов до моторных лодок и катеров.

Сочетание устойчивости к нагреву и способности выдерживать не менее 20 тысяч циклов перезарядки без заметной потери ёмкости может оказаться особенно привлекательным для неприхотливых водителей и капитанов малых судов.

В перспективе Toshiba рассчитывает увидеть свои аккумуляторы в составе электрических летательных аппаратов. В более отдалённом будущем компания работает над созданием водородных топливных элементов для самолётов и даже криогенных авиационных систем с электрическими двигателями. До широкого перехода на водород технологии сверхбыстрой зарядки могут стать промежуточным решением — более компактным, чистым и удобным для транспорта.

Учёные из Хумбольдтского университета в Берлине разработали новые анодные материалы для литий- и натрий-ионных аккумуляторов, которые демонстрируют исключительную скорость зарядки, повышенную стабильность и долгий срок службы.

Ключ к этой технологической прорывной разработке оказался в том, что высокие характеристики достигаются не благодаря совершенному порядку атомов в кристаллической решётке, как считалось ранее, а напротив — за счёт тщательно контролируемого беспорядка на атомном уровне.

В двух недавних научных статьях, опубликованных в Nature Communications и Advanced Materials, команда под руководством профессора Никола Пинны и доктора Патрисии Руссо показала, что намеренное разрушение длиннодиапазонного кристаллического порядка способно значительно увеличить ионную проводимость, усилить стабильность при циклической зарядке-разрядке и даже открыть принципиально новые механизмы накопления заряда в электродных материалах.

Традиционно аноды в аккумуляторах разрабатывались с акцентом на высокоупорядоченные структуры, в которых движение ионов происходило по предсказуемым путям. Однако такое стремление к идеальному порядку имело свои издержки: слишком высокая структурная жёсткость, затруднённая диффузия ионов и быстрое снижение эффективности при высоких скоростях зарядки. Новый подход основан на концепции «управляемого беспорядка» — точечно заданной атомной неупорядоченности, которая создаёт дополнительные каналы для ионного транспорта и увеличивает количество активных участков для накопления заряда.

В рамках исследования были синтезированы материалы на основе ниобий-вольфрамовых оксидов с частичной дезорганизацией кристаллической структуры, а также получена аморфная форма феррониобата — соединения железа и ниобия. В случае с литий-ионными батареями новая модификация анодного материала показала устойчивость к деградации даже после 1 000 циклов полной зарядки и разрядки, сохраняя значительную долю изначальной ёмкости. Для натрий-ионных аккумуляторов, которые считаются более экологичным и доступным решением, было создано принципиально новое анодное вещество, демонстрирующее стабильную работу в течение более чем 2 600 циклов без существенного падения характеристик.

Особое внимание заслуживает структура синтезированного феррониобата: в публикации в Advanced Materials впервые сообщается об использовании колумбитной модификации этого соединения в качестве высокоэффективного анода для хранения натрия. Присутствие ионов железа приводит к разрушению дальнего порядка за счёт локальных искажений структуры октаэдров FeO₆. Это, в свою очередь, инициирует переход материала в аморфное состояние, способное на обратимое накопление ионов натрия.

Параллельно в слоях NbO₆ формируются короткодиапазонные зигзагообразные цепочки, которые создают прочный «каркас», способный стабилизировать структуру и предоставлять многочисленные активные центры для псевдоёмкостного накопления ионов. Такая архитектура также улучшает транспортные свойства, обеспечивая более быстрые и эффективные пути диффузии.

Комбинированное применение аморфных анодов на основе феррониобата для натриевых аккумуляторов и структурно дезорганизованных анодов для литиевых систем открывает перспективы для создания аккумуляторов с ультрабыстрой зарядкой . Это может быть особенно актуально в сфере электромобилей нового поколения, стационарных накопителей энергии для возобновляемых источников , а также в области создания безопасных и долговечных альтернатив существующим аккумуляторным технологиям.

Исследователи подчеркивают: переход от концепции структурного порядка к рационально введённому беспорядку может радикально изменить стратегию разработки материалов в целом, задавая новые ориентиры в проектировании энергоёмких и надёжных аккумуляторных систем будущего .

Ученые решили проблему дендритов в литиевых аккумуляторах

Литиевые батареи могли бы стать идеальными, если бы не их капризный характер при высоком напряжении.

Литиевые металлические батареи (ЛМБ) — одни из самых перспективных кандидатов на роль энергохранилищ нового поколения. Их теоретическая емкость огромна, а электрохимический потенциал крайне низок. Но есть проблема: при напряжении выше 4,4 В они становятся нестабильными. Главная беда — неравномерное формирование интерфейсов, из-за чего растут дендриты, падает емкость, а батареи могут даже загореться.

Дендриты — это игольчатые структуры, которые образуются на аноде литиевой батареи при неравномерном осаждении лития. Они прокалывают сепаратор, вызывают короткое замыкание и могут привести к возгоранию.

Команда профессоров Дэнни Лэй и Чэнсиня Вана из Университета Сунь Ятсена предложила решение — добавку PAFE для электролита. Их исследование, опубликованное в издании National Science Review, показывает, как этот состав позволяет ЛМБ стабильно работать при рекордных 4,7 В.

PAFE — это смесь трех компонентов: этоксида алюминия (Al (EtO)₃), фторэтиленкарбоната (FEC) и пентафторциклотрифосфазена (PFPN). Этоксид алюминия создает трехмерную полимерную сеть, которая помогает равномерно распределять в защитном слое батареи частицы LiF, Li₃N, Li₃P и Al₂O₃.

Этот слой снижает энергетический барьер для ионов лития — они движутся плавно, без скачков напряжения. PFPN заодно работает как антипирен, уменьшая риск возгорания.

В тестах с катодами NCM811 и литиевым анодом батареи с PAFE сохранили 80% емкости после 140 циклов при 4,7 В. Пакетные элементы на 1 А·ч не раздулись даже после долгой работы.

Суть в том, что правильные добавки позволяют «запрограммировать» нужную структуру защитного слоя с самого начала. Это не только улучшает стабильность ЛМБ, но и открывает путь к еще более мощным батареям.

PAFE дешев в производстве, совместим с текущими технологиями и готов к масштабированию.

Этот метод может ускорить коммерциализацию ЛМБ. Сейчас их главные проблемы — пожароопасность и деградация при высоких напряжениях. Если PAFE действительно так стабилен, это позволит:

•Увеличить емкость аккумуляторов для электромобилей без роста размеров.

•Снизить риск возгорания — критично для бытовой электроники.

•Упростить производство, так как добавки доступны и дешевы.

Но ключевое — это возможность работы при 4,7 В. Чем выше напряжение, тем больше энергии можно запасти в том же объеме.

Исследование не учитывает долгосрочное влияние добавок на электролит. Например, Al (EtO)₃ может гидролизоваться при контакте с влагой, что со временем ухудшит работу батареи. Также тесты проводились в лабораторных условиях — реальные нагрузки (перепады температур, вибрация) могут выявить скрытые проблемы.

В Китае создали литиевый аккумулятор с рекордной плотностью энергии — в два раза выше, чем у ячеек Tesla 4680.

Более того, уже создана и запущена линия по опытному производству новых ячеек. Прорыв обеспечила разработка нового электролита, который по признанию занятых в проекте учёных «ломает современные концепции». При этом новые батареи высоконадёжны и устойчивы к возгоранию, что делает их полностью безопасными.

Аккумуляторные ячейки Tesla 4680 могут иметь плотность запасаемой энергии до 300 Вт·ч/кг. Популярные литий-железо-фосфатные элементы Blade 1.0 компании BYD демонстрируют плотность на уровне 150 Вт·ч/кг. Созданные учёными Тяньцзиньского университета аккумуляторы характеризуются плотностью запасаемой энергии на уровне 600 Вт·ч/кг. Тем самым по этому параметру они вдове превосходят изделия Tesla и вчетверо — одно из самых популярных среди недорогих аккумуляторов решение, LFP-аккумуляторы Blade первого поколения.

Нетрудно представить, что собранные на базе новых ячеек батареи обеспечат электрическим транспортным средствам ощутимо больший запас хода. Если они пойдут в массовое производство, это в целом может изменить парадигму транспорта на электрической тяге. К слову, новые батареи уже переданы для испытания на электрических воздушных беспилотниках трёх неназванных компаний в Китае, которые остались довольны разработкой.

Всё дело в электролите, объясняют учёные в свежей статье в журнале Nature. Свойства литиевого аккумулятора зависят от химической и электрической активности так называемой сольватной структуры. Это группы молекул растворителя (воды или органических растворителей) которые группируются вокруг ионов лития, обеспечивая стабильность и подвижность ионов. Дизайн новой батареи, по словам разработчиков, «разрушает традиционную зависимость от доминирующей в электролитах сольватной структуры, обеспечивая двойное повышение плотности энергии и общей производительности».

Также уточним, что речь идёт о литий-металлическом аккумуляторе, который считается признанным фаворитом в гонке за звание аккумулятора следующего поколения.

Для планирования химических свойств нового электролита учёные привлекли значительные вычислительные мощности и машинное обучение, что помогло определить наиболее перспективные соли лития и растворители. Как показали эксперименты, результат себя оправдал. Прототип батареи не только показал высочайшую в отрасли плотность запасаемой энергии, но также не воспламенялся (за счёт добавок фосфатов) и не замерзал до -60 °C. Аккумулятор буквально протыкали гвоздями, и это не приводило к взрывным последствиям.

Опыты показали, что новая батарея может сохранять стабильную плотность энергии после 90 циклов зарядки. На основе опытных ячеек был собран батарейный блок Pack480 ёмкостью 3904 Вт·ч. Во время тестирования аккумуляторный блок обеспечил рекордную мощность для своего веса и оставался стабильным после 25 циклов, превосходя по своим характеристикам большинство существующих аккумуляторов.

Разработчики отмечают, что технология пока находится на стадии прототипа и до серийного производства пройдёт ещё несколько лет. Тем не менее, эксперты называют её переломным шагом, способным снять одно из главных ограничений электромобилей — так называемое «беспокойство о запасе хода». «Если удастся масштабировать такие батареи, это будет революция, сопоставимая по эффекту с появлением реактивного двигателя в авиации», — подчеркнули авторы исследования.

Прорыв также имеет стратегическое значение: он приближает Китай к целям государственной программы «Сделано в Китае 2025», где повышение эффективности аккумуляторов занимает ключевое место. На фоне жёсткой конкуренции между Tesla, BYD и китайскими стартапами именно такие технологии могут определить лидерство на глобальном рынке. Пока главным вызовом остаётся ресурс батареи, но сам факт преодоления барьера в 600 Вт·ч/кг при топовых характеристиках безопасности свидетельствует о приближении новой эры в электрическом транспорте.

Учёные из Хэбэйского университета и Лунъянского университета представили новую стратегию защиты катодов для литий-ионных аккумуляторов. Их разработка — двухслойное покрытие LiF@spinel — обещает решить одну из главных проблем высокоёмких батарей: нестабильность литий-обогащённых катодов, которая приводит к быстрому падению напряжения и сокращению срока службы.

Литий-ионные батареи лежат в основе современных электромобилей, смартфонов и систем накопления энергии. Они лёгкие, перезаряжаемые и обладают высокой плотностью энергии. Но катоды из литий-обогащённых оксидов (LRMO), несмотря на их ёмкость и низкую стоимость по сравнению с никель- или кобальтсодержащими материалами, страдают от разложения электролита, выделения кислорода на высоких напряжениях и структурных разрушений. Всё это ограничивает их использование.

Ранее пытались применять защитные покрытия, но многие из них либо мешали прохождению ионов, либо отслаивались после нескольких циклов. Новый подход объединяет буферный слой шпинели, который обеспечивает быструю транспортировку ионов, с внешним слоем LiF, блокирующим агрессивное воздействие электролита. Для надёжного соединения внешнего слоя использованы химические связи через якоря Ni–F.

Созданное покрытие формировалось методом in situ-реконструкции: сначала на поверхности катода образовалась трёхмерная шпинельная сеть, а сверху закрепился защитный слой LiF. Электронная микроскопия и рентгенофотоэлектронная спектроскопия подтвердили, что слои легли равномерно и без разрывов.

Испытания показали впечатляющие результаты. При токе 2С катод с защитой сохранил 81,5% своей ёмкости после 150 циклов, тогда как без покрытия этот показатель составил лишь 63,2%. При ещё более жёстких условиях, на 5С, двухслойная структура удержала более 80% ёмкости. Электрохимические измерения зафиксировали снижение сопротивления, ускоренный транспорт ионов и меньшее количество побочных продуктов коррозии.

Авторы подчеркивают, что их метод можно адаптировать и для других нестабильных электродных материалов, а значит, он имеет потенциал не только для электромобилей , но и для портативной электроники и систем накопления возобновляемой энергии. Более стабильные и энергоёмкие аккумуляторы позволят увеличить запас хода машин, продлить срок службы гаджетов и повысить надёжность энергосетей, использующих возобновляемые источники.

Работа поддержана рядом фондов, включая проект научных исследований Департамента образования провинции Хэбэй, Междисциплинарную программу исследований университета Хэбэй, Национальный фонд естественных наук Китая, а также инициативы по развитию науки и технологий на региональном уровне.

Тяговые батареи CATL Shenxing Pro обеспечат ресурс до 1 млн км пробега

С момента появления первых массовых электромобилей за тяговыми батареями тянется определённый шлейф стереотипов, мешающих росту популярности подобных транспортных средств в современных условиях. Китайская CATL взялась при помощи нового семейства батарей Shenxing Pro развеять ряд мифов о свойствах LFP-батарей.

Как отмечает CarNewsChina, на мероприятии IAA Mobility в Мюнхене мировой лидер в производстве батарей для электромобилей, коим является CATL, представил семейство тяговых аккумуляторов Shenxing Pro, который сочетает массовую с точки зрения химического состава технологию LFP с передовыми решениями в плане эксплуатационных качеств. Компания не стала особо трудиться над именами разновидностей представленных батарей, поэтому первый получил описательное обозначение Super Long Life & Long Range Battery, а второй — более лаконичное Super-Fast Charging Battery.

Как можно понять из названий, первый вариант Shenxing Pro ориентирован на длительную эксплуатацию и большие пробеги, он позволяет сочетать запас хода до 758 км по циклу WLTP с расчётным ресурсом 12 лет или 1 000 000 км пробега. После 200 000 км пробега батарея теряет только 9 % своей первоначальной ёмкости, поэтому подобные батареи будут востребованы при эксплуатации электромобилей в такси и прокате.

Второй вариант оптимизирован под сверхбыструю зарядку, полную ёмкость позволяет восстановить за 5 минут, а при температуре минус 20 градусов по шкале Цельсия может восполнить запас хода в 410 км по циклу WLTP за 20 минут. При более высокой температуре окружающего воздуха 478 км запаса хода могут быть восстановлены за 10 минут. При остаточном заряде в 20 % такая батарея способна отдавать до 830 кВт мощности, что важно с точки зрения сохранения динамики электромобиля при больших суточных пробегах. Данная разновидность батареи рассчитана на 240 000 км пробега и оснащается 10-летней гарантией CATL.

Оба варианта батарей Shenxing Pro относятся к поколению NP 3.0, которое гарантирует повышенную пожарную безопасность при механических повреждениях и коротких замыканиях. Даже при запуске зловредной термохимической реакции батарея будет способна выдавать высокие токи разряда в течение как минимум часа, позволяя автовладельцу спокойно добраться до автосервиса в случае появления внутреннего дефекта батареи.

Ячейки семейства Wave, из которых сформированы батареи Shenxing Pro, допускают большое разнообразие вариантов крепления и размещения элементов системы охлаждения. Жёсткость батареи можно увеличить на 25 %, а эффективность пространственной компоновки поднять до 76 %. Судя по заявлениям представителей CATL, выпускаться новые батареи будут на территории Европы. Здесь у компании уже есть предприятия в Германии и Венгрии, а ещё одно может появиться в Испании за счёт участия в проекте концерна Stellantis.

Учёные преодолели главное препятствие для коммерциализации литий-металлических аккумуляторов

Коллектив исследователей из Корейского института передовых технологий (KAIST) объявил о создании литий-металлического аккумулятора для электромобилей, устойчивого к образованию дендритов. По словам учёных, эта разработка знаменует собой наступление новой эры в технологии аккумуляторов для электромобилей, поскольку она решает ключевую проблему, препятствовавшую коммерческому использованию литий-металлических батарей.

Новая конструкция аккумулятора предлагает на тридцать три процента больше запаса хода на одном заряде по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. Это увеличивает среднюю дальность пробега электромобиля с 600 до 800 километров. Помимо этого, прорывная разработка обладает временем быстрой зарядки всего двенадцать минут и сроком службы, превышающим 300 000 километров.

В отличие от привычных литий-ионных аккумуляторов, в литий-металлических батареях анод изготовлен из металла, а не из графита. Такая конструкция известна тем, что увеличивает плотность энергии, а следовательно, и запас хода электромобиля. Однако технология сталкивалась с критическим ограничением: при перезарядке на аноде образуются древовидные структуры, называемые дендритами. Накопление этих кристаллов лития снижает производительность батареи и может привести к короткому замыканию, которое выводит её из строя. Эта проблема особенно остро проявляется во время быстрой зарядки, что делало её применение в таких условиях очень трудной задачей.

Исследовательская группа под руководством профессора Хи Така Кима из KAIST и при сотрудничестве с LG Energy Solution разработала новый жидкий электролит с ингибирующей когезией анионной структурой. Этот материал обладает слабым сродством к ионам лития в жидкости, что минимизирует неоднородность на поверхности литиевого анода и эффективно подавляет рост дендритов даже в условиях быстрой зарядки.

Как отметил профессор Ким, четырёхлетнее исследование стало ключевой основой для преодоления технических проблем литий-металлических батарей. Технический директор LG Energy Solution Джей-Янг Ким добавил, что сотрудничество принесло значимые результаты, и компания намерена укреплять такие партнёрства для решения технологических задач в области аккумуляторов следующего поколения.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.

Тетраэдры вместо октаэдров: тихая революция в материаловедении батарей

Группа китайских ученых обнаружила, что беспорядок в структуре катода может быть его главным преимуществом.

Тетраэдры вместо октаэдров: тихая революция в материаловедении батарей

Ученые из Пекинского университета под руководством профессора Ся Динго совершили прорыв в создании литиевых батарей нового поколения. Они обнаружили ранее неизвестный механизм работы катода из аморфного материала Li-V-O-F с тетраэдрической координацией. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials. Работа доказывает, что такой катод демонстрирует выдающуюся электрохимическую производительность и стабильность, превосходя традиционные кристаллические аналоги и расширяя границы известной химии окислительно-восстановительных реакций с участием анионов.

Обычные катоды с высокой емкостью имеют кристаллическую структуру с октаэдрической координацией. Это часто приводит к потере кислорода, разрушению структуры и падению напряжения при высоких нагрузках. Аморфные материалы, долгое время игнорировавшиеся из-за своего неупорядоченного строения, лишены дальнего порядка, но обладают уникальной атомарной гибкостью. Это делает их перспективными кандидатами для новых редокс-механизмов.

Данное исследование меняет представления о химии анионных redox-реакций, доказывая, что они могут протекать вне кристаллических решеток и без октаэдрической координации. Открытие обратимой реакции с участием димеров кислорода (O–O) в аморфной тетраэдрической структуре открывает новые пути для проектирования литий-ионных аккумуляторов с высокой емкостью и структурной стабильностью.

Ключевые открытия:

•Аморфный катод Li-V-O-F сохраняет тетраэдрическое окружение даже после извлечения лития, что бросает вызов традиционной зависимости от октаэдрических структур.

•При заряде до ~4.1 В в материале образуются координационные пары O–O, что указывает на формирование димеров кислорода.

•Спектроскопический анализ подтвердил, что окисляются именно атомы кислорода, а не ванадия. Это доказывает доминирующий анионный редокс-механизм, включающий обратимые процессы образования и разрыва пероксоподобных связей.

•Моделирование показало, что аморфная структура позволяет димерам кислорода формироваться спонтанно и термодинамически выгодно, в отличие от жестких кристаллических аналогов.

Электрохимические тесты показали впечатляющие результаты:

•Высокая емкость: более 300 мАч/г в диапазоне напряжений 1.5–4.8 В.

•Псевдоемкостная кинетика: наноразмерные каналы обеспечивают сверхбыстрый перенос ионов лития.

•Стабильность: отсутствие выделения кислорода и падения напряжения при длительном циклировании при высоком напряжении.

Аморфные материалы, долгое время считавшиеся слишком беспорядочными для практического применения, теперь становятся сильными претендентами на роль основы для батарей будущего. Они предлагают высокую плотность энергии, улучшенную стабильность и гибкость проектирования, недостижимые для кристаллических материалов. Этот прорыв может значительно улучшить производительность литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, накопителей для энергосетей и носимой электроники.

Реальная польза этого исследования заключается в потенциальном преодолении фундаментальных ограничений современных литий-ионных аккумуляторов. Если традиционные катоды «устают» и деградируют при высоких напряжениях (что критично для быстрой зарядки и высокой емкости), то эта аморфная система демонстрирует феноменальную стабильность. Это прямой путь к:

•Увеличению пробега электромобилей без увеличения размеров батареи.

•Сокращению времени зарядки благодаря псевдоемкостным свойствам и быстрому ионному транспорту.

•Созданию более безопасных батарей, поскольку исключается опасное выделение кислорода, ведущее к возгоранию.

•Удешевлению производства, так как аморфные материалы зачастую проще и дешевле синтезировать, чем высокоупорядоченные кристаллы.

В долгосрочной перспективе это открывает ящик Пандоры для материаловедов: теперь можно целенаправленно проектировать материалы не с идеальной, а с «выгодно беспорядочной» структурой под конкретные задачи.

Основное замечание касается готовности технологии к коммерциализации. Исследование блестяще с фундаментальной точки зрения, но упускает из виду ряд практических аспектов.

•Во-первых, в работе используется фтор (F), который может осложнять процесс синтеза в промышленных масштабах и повышать стоимость.

•Во-вторых, заявленная емкость в 300 мАч/г достигается в очень широком диапазоне напряжений (1.5–4.8 В), в то время как рабочее напряжение (~4.1 В для редокс-реакции кислорода) является довольно низким для катодного материала.

Это может негативно сказаться на общей плотности энергии батареи на практике. Требуются дополнительные исследования, чтобы проверить, сохранятся ли выдающиеся свойства материала при сборке в полноразмерные промышленные элементы, а не в маленькие лабораторные ячейки.

Новые натриевые батареи выдерживают более 500 циклов и сохраняют 70% емкости

Исследователи из Китая решили проблему нестабильности натриевых аккумуляторов при быстрой зарядке с помощью простого и масштабируемого метода — увеличения концентрации соли в электролите. Это предотвращает образование дендритов и позволяет достичь рекордной скорости зарядки 10С с сохранением 70% ёмкости после 500 циклов. Технология устраняет риск коротких замыканий и предлагает более безопасную альтернативу литий-ионным батареям.

Натриевые батареи уже давно рассматриваются как более доступная и экологичная альтернатива литий-ионным аккумуляторам. Они используют натрий вместо лития, который встречается в больших количествах в морской воде и стоит в 10 раз дешевле. Такие батареи могут снизить стоимость электромобилей и систем хранения энергии, одновременно сокращая зависимость от ограниченных ресурсов лития.

Главным ограничением натриевых аккумуляторов была их нестабильность. При быстрой зарядке они часто теряли ёмкость и страдали от коротких замыканий, что сокращало срок службы. Эти проблемы препятствовали широкому распространению технологии.

Команда ученых из Университета Линнань совместно с Университетом Цинхуа и Пекинским технологическим институтом предложила решение. Оказалось, что повышение концентрации соли в электролите обеспечивает более контролируемое осаждение ионов натрия, предотвращая образование дендритов — тонких игольчатых структур, которые приводят к коротким замыканиям и быстрому износу аккумулятора.

В лабораторных испытаниях безанодная натриевая батарея достигла критической плотности тока свыше 20 мА см⁻² и выдерживала скорость зарядки 10С, что позволяет заряжать аккумулятор за минуты, а не часы.

После 500 циклов зарядки-разрядки батарея сохраняла более 70% исходной емкости, демонстрируя высокую стабильность и долговечность. Кроме того, новый подход повышает безопасность: в составе отсутствует металлический натрий, что снижает риски при производстве, транспортировке и полной разрядке батарей.

Главное преимущество нового подхода — простота. Вместо дорогих материалов и сложных покрытий исследователи использовали лишь оптимизацию состава электролита. Это облегчает перенос лабораторных результатов на крупные прототипы и делает натриевые батареи перспективным решением для электромобилей, сетевых накопителей и устойчивой энергетики.

Однако, чтобы конкурировать с литий-ионными аккумуляторами, необходимо увеличить срок службы натриевых элементов, оптимизировать электролиты с высокой концентрацией соли и повысить плотность энергии, которая пока уступает литий-ионным аналогам.

Shell изобрела супер быструю зарядку — с ним зарядить электромобиль можно всего за 10 минут

Технологии экспресс-зарядки электромобилей эволюционируют сразу на нескольких направлениях. Помимо зарядных станций высокой мощности, для реализации всех преимуществ к работе с такими технологиями должны быть бортовые системы электромобиля. Shell изобрела охлаждающую жидкость, которая позволит сократить время зарядки электромобиля до десяти минут.

Жидкостное охлаждение тяговых батарей получает всё большее распространение, хотя уместнее говорить о управлении тепловыми режимами работы батареи. В частности, когда на улице мороз, жидкость помогает подогревать батарею, чтобы она лучше принимала и отдавала заряд. Британский нефтяной концерн Shell в сотрудничестве с компанией RML Group разработал жидкость, которая позволяет зарядить экспериментальную батарею ёмкостью 34 кВт·ч с 10 до 80 % менее чем за десять минут. При этом элементы батареи не подвергаются опасному нагреву, возникающему в результате воздействия высоких токов зарядки, а значит, ресурс аккумуляторных ячеек не страдает в той мере, в какой это наблюдается при использовании экспресс-зарядки без дополнительного охлаждения.

Как рассуждает Shell, если подобную батарею с охлаждающей жидкостью EV-Plus установить на электромобиль с тщательно выверенной аэродинамикой, обеспечивающей расход электроэнергии не более 1 кВт·ч на 10 км пробега, то за минуту можно будет восполнять до 24 км запаса хода. Традиционные по своей конструкции электромобили, по данным Shell, способны за минуту зарядки восстанавливать только 5 км запаса хода. Само собой, на батареях большей ёмкости время зарядки наверняка превысит указанные Shell десять минут, но само появление на рынке такой жидкости позволит существенно облегчить жизнь владельцам электромобилей.

Чтобы повысить эффективность охлаждения, Shell наделила жидкость EV-Plus диэлектрическими свойствами. Другими словами, эта жидкость не проводит электрический ток, а потому может смело контактировать со всеми внутренними элементами тяговой батареи. Как отмечают представители компании, создать такую жидкость Shell помог богатый опыт производства трансформаторных масел для энергетической отрасли. Когда жидкость EV-Plus начнёт применяться партнёрами Shell, не уточняется, но учитывая глобальный масштаб бизнеса компании, ею наверняка захотят воспользоваться автопроизводители по всему миру.

Ученые нашли способ ускорить зарядку аккумуляторов в разы

Представьте себе аккумулятор, который заряжается быстрее, чем вы успеваете выпить чашку кофе, и при этом не несет в себе риска возгорания.

Ученые нашли способ ускорить зарядку аккумуляторов в разы

Группа ученых под руководством професора Пань Фэна из Пекинского университета совершила прорыв, разгадав тайну поведения протонов в аккумуляторах. Их открытие способно перевернуть мир энергетики, предложив нам батареи, которые совмещают в себе безопасность, огромную емкость и невероятную скорость зарядки. И все это — без риска возгорания, присущего привычным литий-ионным решениям.

Подробности опубликованы в издании Matter.

Исследователи выяснили, как именно крошечные протоны (ядра атомов водорода) перемещаются и запасаются в водных электролитах. В отличие от более тяжелых и «медлительных» ионов лития или натрия, которые вынуждены пробираться сквозь материал, протоны движутся иначе. Они используют принцип цепной реакции, перепрыгивая по готовой сети водородных связей между молекулами воды, словно по эстафете. Этот механизм, известный как „протонный прыжок“ (механизм Гроттуса), обеспечивает мгновенную передачу заряда.

Чтобы использовать этот эффект на полную мощность, команда предлагает три ключевых стратегии для инженеров:

•Материалы электродов: нужно создавать структуры со встроенными водородными связями — своего рода «автострады» для протонов, по которым они смогут мчаться без задержек.

•Состав электролита: можно управлять проводимостью, меняя кислотность и подбирая правильные соли, которые делают водородную сеть более стабильной и проходимой.

•Поверхность раздела: если модифицировать поверхность электрода, добавив на нее особые химические группы (например, обработав кислородной плазмой), можно резко снизить «сопротивление на входе» и ускорить всю реакцию.

Эта работа закладывает фундамент для нового поколения энергонакопителей. Вместо того чтобы втискивать ионы в тесную кристаллическую решетку, как это делают сегодня, мы можем научиться виртуозно управлять потоками протонов по живым, динамичным сетям водородных связей. И это открывает путь к батареям, которые заряжаются за секунды, работают годами и при этом абсолютно безопасны.

Реальная польза этого исследования — в создании четкой дорожной карты для материаловедов и инженеров. До сих пор разработка протонных батарей напоминала поиск иголки в стоге сена методом проб и ошибок. Теперь у них есть конкретные принципы: как спроектировать материал электрода, как подобрать электролит и как обработать поверхность для максимальной эффективности. Это ускорит коммерциализацию на порядки. В перспективе это может привести к появлению:

•Сверхбыстрых зарядных станций для электромобилей, где запас энергии на сотни километров будет восполняться за время кофе-брейка.

•Компактных и безопасных аккумуляторов для электроники, которые не вздуваются и не горят.

•Стационарных накопителей для солнечных и ветряных электростанций, дешевых и не требующих сложных систем охлаждения и пожаротушения.

Основное замечание касается практической реализации. Исследование блестяще описывает физико-химические принципы на модельном уровне, однако переход к коммерческим продуктам всегда упирается в инженерные и экономические сложности. Создание стабильных электродных материалов со встроенными водородными сетями, которые не деградируют за тысячи циклов зарядки-разрядки, — это грандиозная задача сама по себе. Кроме того, высококонцентрированные кислотные электролиты, предлагаемые для «настройки» сети, могут быть агрессивны к другим компонентам батареи, что потребует разработки новых, устойчивых сепараторов и корпусных материалов. Таким образом, между теоретическим прорывом и серийным устройством лежит долгий путь оптимизации и решения сугубо прикладных проблем.