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.

Создан компактный суперконденсатор на 200 В без металла

Ученые нашли способ получать высокое напряжение из тонкого листа пластика, используя лишь луч лазера.

Создан компактный суперконденсатор на 200 В без металла

Исследователи из Гуандунского технологического университета придумали новый способ создавать мощные и компактные устройства для хранения энергии — тонкопленочные суперконденсаторы (ТПС). В их основе — простая, но эффективная лазерная технология. Ученые с помощью лазера превращают листы коммерческой полиимидной бумаги в трехмерный графен — материал, который отлично накапливает и проводит электрический ток.

Этот графеновый лист выполняет сразу несколько ролей: он служит электродом, накапливающим энергию, проводником тока и механической основой всего устройства.

“

Обычные суперконденсаторы требуют громоздких металлических деталей и сложной проводки, чтобы соединить множество ячеек, — объясняет профессор Хуилонг Лю, ведущий автор статьи. — Наш метод упрощает и материалы, и конструкцию, при этом мы добиваемся высокого напряжения и стабильной работы.

Ученые тщательно изучили, как настройки лазера — плотность сканирования, мощность и скорость — влияют на структуру и электропроводность графена. Благодаря этой оптимизации им удалось наладить производство графеновых листов с низким электрическим сопротивлением и высокими электрохимическими свойствами. В новой конструкции гелевый электролит также работает как разделитель, а форма каждой ячейки задается самой полиимидной пленкой.

Самонесущие графеновые слои позволяют плотно складывать все компоненты, делая устройство компактным без ущерба для производительности. Важно, что все ячейки — от одиночной до полной стопки из 160 штук — показали стабильные и одинаковые результаты.

“

Главное преимущество в том, что нам не нужны металлические токосъемники и внешние соединители, — говорит соавтор работы професср Юн Чен. — Убрав лишние материалы и упростив сборку, мы можем увеличивать выходное напряжение, сохраняя устройство ультракомпактным.

Крошечное устройство объемом всего 3.8 см³ способно выдавать напряжение в 200 вольт. Этой мощности хватает, чтобы зажечь 100 светодиодов на 30 секунд или лампочку мощностью 3 ватта на 7 секунд. Метод, описанный в издании International Journal of Extreme Manufacturing, может помочь в создании источников питания для микроэлектроники нового поколения, особенно для устройств, работающих в суровых условиях или с жесткими ограничениями по пространству.

Команда планирует и дальше улучшать плотность энергии и рабочие напряжения этих устройств. Исследователи надеются, что их технология сможет питать носимые датчики, гибкую электронику и другие малогабаритные системы, которым нужен надежный источник энергии в сложных условиях.

Реальная польза этой работы выходит за рамки простого создания «маленькой батарейки». Ее потенциал заключается в упрощении и миниатюризации источников питания для стремительно развивающейся микро- и носимой электроники.

•Автономные сенсоры. Такие компактные и не требующие сложной сборки конденсаторы идеальны для распределенных сетей датчиков (например, для мониторинга состояния окружающей среды, структур зданий или в «умном» сельском хозяйстве). Их можно легко интегрировать в гибкие подложки.

•Электроника для экстремальных условий. Поскольку устройство не имеет металлических частей, которые подвержены коррозии, и использует стабильные материалы, такие как графен и полиимид, оно потенциально более устойчиво к воздействию агрессивных сред, высоких температур или влажности. Это открывает путь к применению в геологоразведке, оборонной технике или даже в космических аппаратах для питания микродронов и диагностических зондов.

•Имплантируемая медицинская электроника. Биосовместимость материалов (полиимид широко используется в медицине) и отсутствие токсичных металлов позволяют рассматривать эту технологию для создания источников питания для кардиостимуляторов, нейростимуляторов и диагностических капсул, где надежность и компактность критически важны.

Основной вопрос, который остается открытым, касается масштабируемости технологии для коммерческого использования. В исследовании подробно описан лабораторный процесс с тщательным подбором параметров лазера. Однако перенос этой технологии на промышленное производство может столкнуться с трудностями:

1.Скорость и стоимость. Лазерное преобразование полиимида в графен — последовательный процесс. Насколько быстро и дешево можно будет производить тысячи таких устройств по сравнению с существующими методами? Требуются расчеты экономической эффективности.

2.Воспроизводимость. Обеспечение стабильного качества и идентичных характеристик каждой ячейки в больших производственных партиях — всегда сложная задача для таких высокоточных методов. Необходимо разработать надежные системы контроля качества.

Таким образом, работа является блестящим научным доказательством концепции, но между лабораторным образцом и серийным продуктом лежит путь инженерной оптимизации.

Один атом кобальта вместо грамма платины — формула дешевой энергии на 3570 циклов

Когда воздух превращается в топливо.

Учёные из Университета Монаша в Мельбурне представили разработку, которая может изменить подход к хранению чистой энергии. Им удалось создать рекордный цинк-воздушный элемент, использовав термообработанные трёхмерные материалы и введение атомов кобальта на уровне кристаллической решётки. Новый катализатор продемонстрировал характеристики, превосходящие коммерческие образцы на основе дорогостоящих металлов, таких как платина и рутений.

Команда под руководством старшего преподавателя кафедры химической и биологической инженерии Парамы Банерджи и аспиранта Саида Аскари применила нагрев, чтобы превратить объёмный материал в ультратонкие углеродные листы. В их структуру были встроены отдельные атомы кобальта и железа. Такая атомарная инженерия обеспечила высокую скорость переноса заряда и устойчивое функционирование системы на протяжении тысяч циклов.

Цинк-воздушные аккумуляторы представляют собой электрохимические ячейки, в которых цинковый анод взаимодействует с кислородом из воздуха. Они отличаются высокой энергоёмкостью, доступностью сырья и экологичностью, что делает их перспективными для применения в портативной электронике, электротранспорте и системах хранения возобновляемой энергии. Основные препятствия для их массового внедрения — ограниченная мощность и нестабильность при многократной зарядке и разрядке.

Австралийские инженеры сумели преодолеть эти барьеры. Их прототип выдержал 3570 циклов зарядки и разрядки, сохраняя стабильные характеристики в течение 74 дней непрерывных испытаний. Устройство обеспечило удельную мощность 229,6 милливатта на квадратный сантиметр и энергоёмкость 997 ватт-часов на килограмм. Для сравнения: большинство существующих цинк-воздушных систем не демонстрировали такой продолжительной и надёжной эксплуатации.

Аскари подчеркнул, что использование пар атомов кобальта и железа в сочетании с азотными добавками решает одну из ключевых проблем перезаряжаемых цинк-воздушных элементов, обеспечивая оптимальную кинетику реакций. Банерджи добавила, что батарея проработала более двух месяцев без серьёзной деградации параметров, что стало важным шагом для всей отрасли.

Исследователи отметили, что принципы, использованные в этой конструкции, можно применять не только в аккумуляторах. Подход с атомарным проектированием катализаторов подходит для топливных элементов, технологий электролиза воды и преобразования углекислого газа.

Сегодня цинк-воздушные элементы чаще всего используются в компактных приборах, например слуховых аппаратах. Однако новая разработка демонстрирует возможность создания мощных и перезаряжаемых решений для транспорта и энергетики. Учёные уверены, что технология готова выйти за рамки лабораторных экспериментов и перейти к практическому применению.

,

Австралийские ученые разработали электролит для стабильных водных цинковых батарей

Коллектив австралийских исследователей разработал новую электролитную систему для водных цинковых батарей (AZB), которые рассматриваются как более безопасная и экологичная альтернатива существующим решениям. Команда из Университета Аделаиды под руководством профессора Зайпин Го использовала воду с растворенными цинковыми солями в качестве электролита и цинковый металл в качестве анода, что делает батареи негорючими. Цинк является широко распространенным материалом с низким воздействием на окружающую среду и обеспечивает высокую объемную емкость батареи.

Однако широкому практическому применению этих батарей до сих препятствовали ограничения в стабильности работы. Узкий температурный диапазон приводит к ограниченному жизненному циклу, а неконтролируемые реакции между цинковым металлом и электролитом вызывают внутреннюю коррозию и нежелательное выделение водорода. Для преодоления этих ограничений исследователи предложили использовать раздельный двойной солевой электролит (DDSE).

В этой системе две различные цинковые соли работают совместно, улучшая характеристики электролита и контролируя поведение ионов внутри батареи. Одна соль, перхлорат цинка, остается преимущественно в жидкости, регулируя движение ионов и повышая морозостойкость батареи для работы в холодных условиях. Другая соль, сульфат цинка, образует защитный слой на поверхности цинкового металла, предотвращая повреждение и коррозию. Как пояснил первый автор исследования Гуанцзе Ли, такой подход позволяет батарее быстро заряжаться, работать в течение многих циклов в широком диапазоне температур и с минимальными потерями энергии в режиме простоя.

В ходе испытаний аккумуляторные элементы продемонстрировали стабильность, сохранив 93 процента своей емкости после 900 циклов зарядки-разрядки. При этом они работали в экстремально широком температурном диапазоне от -40 °C до +40 °C. Соавтор работы доктор Шилин Чжан отметил, что это первый случай достижения столь сбалансированных показателей в данной области. В отличие от традиционных конструкций с использованием высококонцентрированных или гибридных органическо-водных электролитов, новая стратегия сохраняет негорючесть, доступность и экологичность формулы, присущие водным системам. Благодаря этому усовершенствованному электролиту цинковые батареи могут найти применение в интеллектуальных сетях и электромобилях, особенно в условиях, где использование литий-ионных аккумуляторов ограничено из-за проблем с поставками лития и экологических недостатков.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Австралийские ученые разработали электролит для стабильных водных цинковых батарей

Коллектив австралийских исследователей разработал новую электролитную систему для водных цинковых батарей (AZB), которые рассматриваются как более безопасная и экологичная альтернатива существующим решениям. Команда из Университета Аделаиды под руководством профессора Зайпин Го использовала воду с растворенными цинковыми солями в качестве электролита и цинковый металл в качестве анода, что делает батареи негорючими. Цинк является широко распространенным материалом с низким воздействием на окружающую среду и обеспечивает высокую объемную емкость батареи.

Однако широкому практическому применению этих батарей до сих препятствовали ограничения в стабильности работы. Узкий температурный диапазон приводит к ограниченному жизненному циклу, а неконтролируемые реакции между цинковым металлом и электролитом вызывают внутреннюю коррозию и нежелательное выделение водорода. Для преодоления этих ограничений исследователи предложили использовать раздельный двойной солевой электролит (DDSE).

В этой системе две различные цинковые соли работают совместно, улучшая характеристики электролита и контролируя поведение ионов внутри батареи. Одна соль, перхлорат цинка, остается преимущественно в жидкости, регулируя движение ионов и повышая морозостойкость батареи для работы в холодных условиях. Другая соль, сульфат цинка, образует защитный слой на поверхности цинкового металла, предотвращая повреждение и коррозию. Как пояснил первый автор исследования Гуанцзе Ли, такой подход позволяет батарее быстро заряжаться, работать в течение многих циклов в широком диапазоне температур и с минимальными потерями энергии в режиме простоя.

В ходе испытаний аккумуляторные элементы продемонстрировали стабильность, сохранив 93 процента своей емкости после 900 циклов зарядки-разрядки. При этом они работали в экстремально широком температурном диапазоне от -40 °C до +40 °C. Соавтор работы доктор Шилин Чжан отметил, что это первый случай достижения столь сбалансированных показателей в данной области. В отличие от традиционных конструкций с использованием высококонцентрированных или гибридных органическо-водных электролитов, новая стратегия сохраняет негорючесть, доступность и экологичность формулы, присущие водным системам. Благодаря этому усовершенствованному электролиту цинковые батареи могут найти применение в интеллектуальных сетях и электромобилях, особенно в условиях, где использование литий-ионных аккумуляторов ограничено из-за проблем с поставками лития и экологических недостатков.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Исследование MIT меняет представление о работе литий-ионных аккумуляторов

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв в понимании химии литий-ионных аккумуляторов, что открывает путь к созданию более мощных батарей для электромобителей с ускоренной зарядкой. Ученые разработали новую модель, которая переопределяет фундаментальную химическую реакцию, лежащую в основе работы таких аккумуляторов, – интеркаляцию. Производительность литий-ионных батарей определяется скоростью, с которой ионы лития внедряются в твердый электрод. Именно этот процесс управляет тем, как быстро аккумулятор может заряжаться и разряжаться, однако точный механизм, контролирующий эту скорость, до сих пор оставался неясным.

Новое исследование MIT включало точное измерение скоростей, с которыми ионы лития встраиваются в различные материалы электродов, и использование этих данных для создания пересмотренной модели данного процесса. Эта модель, названная Моделью Сопряженного Переноса Иона и Электрона (CIET), предполагает, что скорость контролируется реакцией сопряженного переноса иона и электрона. В этой реакции электрон переносится на электрод одновременно с ионом лития.

Модель может проложить путь к созданию более мощных и быстро заряжающихся литий-ионных аккумуляторов. Как пояснил профессор математики MIT Мартин Базант, долгое время ученые полагали, что скорость интеркаляции лития ограничена тем, как быстро ионы могут диффундировать, и это описывалось уравнением Батлера-Фольмера. Однако экспериментальные данные часто сильно различались и редко соответствовали его предсказаниям. Команда MIT использовала специальный электрохимический метод – применение повторяющихся коротких импульсов напряжения – для точного измерения скоростей интеркаляции. Полученные данные для более чем 50 комбинаций электролитов и электродов показали, что скорости интеркаляции значительно ниже, чем считалось ранее, и не соответствуют старой модели.

Разработанная альтернативная теория основана на том, что ион лития может внедриться в электрод только в том случае, если электрон одновременно переносится из электролита на электрод. Именно этот процесс, при котором литий интеркалируется в то же время, что и переносится электрон, и они способствуют друг другу, истинно контролирует скорость реакции. Этот механизм CIET также понижает энергетический барьер для реакции, становясь ее настоящим регулятором скорости.

Полученные данные предлагают два основных пути для улучшения аккумуляторов. Во-первых, это ускоренная зарядка: понимание того, как контролируется скорость реакции, позволит исследователям ускорить реакцию интеркаляции лития. Во-вторых, увеличение срока службы за счет снижения деградации батареи, поскольку модель может помочь уменьшить нежелательные побочные реакции. Исследование также показало, что скоростью интеркаляции можно активно управлять, изменяя состав электролита.

Результаты работы были опубликованы в журнале Science.

Учёные совершили прорыв в создании твёрдых электролитов для аккумуляторов будущего

Учёные из Японии совершили прорыв в области разработки электролитов, который может приблизить создание аккумуляторов нового поколения. Исследователи из Университета Тохоку подтвердили, что такие методы спекания под давлением, как горячее прессование (HP) и спекание в импульсном электрическом разряде (SPS), являются эффективными для создания аккумуляторов будущего. Твердотельные литиевые металлические батареи привлекают внимание во всём мире как перспективная технология, обещающая более высокую плотность энергии и повышенную безопасность по сравнению с современными литий-ионными аккумуляторами. Команда также отметила, что одним из наиболее многообещающих кандидатов на роль твёрдого электролита является оксид гранатового типа LLZO, который сочетает высокую ионную проводимость с сильной химической стабильностью. Однако задача создания тонких, плотных и свободных от дефектов керамических мембран долгое время оставалась сложной, ограничивая крупномасштабное применение.

Обычно оксидные твёрдые электролиты требуют длительного высокотемпературного спекания, часто длящегося несколько часов при температурах выше 1000 °C. Эти условия приводят к испарению лития, высоким производственным затратам и плохой масштабируемости. Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к методам спекания под давлением, таким как горячее прессование и спекание в импульсном электрическом разряде. В частности, часто считалось, что SPS обладает уникальными преимуществами из-за предполагаемого «плазменного эффекта». Исследование, опубликованное в журнале Small, систематически сравнило эти два метода при обработке LLZO. Результаты показывают, что оба метода достигают почти полного уплотнения, около 98%, менее чем за пять минут, без существенных различий в ионной проводимости или микроструктуре. Исследователи подтвердили, что уплотнение обусловлено приложенным давлением и нагревом, как и при горячем прессовании, а не каким-либо особым «плазменным эффектом».

«Наши выводы показывают, что SPS не является по своей природе превосходящим методом по сравнению с горячим прессованием», — заявили авторы работы. Эти данные помогают как исследователям, так и производителям принимать обоснованные решения, основанные на стоимости, доступности оборудования и масштабируемости, а не на ошибочных представлениях. Результаты исследования оспаривают широко распространённое предположение в этой области и подчёркивают, что метод HP или SPS можно выбирать, основываясь на стоимости, доступности оборудования и потребностях в масштабируемости. Для производителей и исследователей, работающих над продвижением твердотельных батарей, сообщение ясно: оба подхода одинаково эффективны для оксидных твёрдых электролитов, таких как LLZO. Развенчивая миф о превосходстве SPS, это исследование открывает дорогу для более гибких и экономически эффективных производственных стратегий, ускоряя путь к более безопасным и высокопроизводительным твердотельным аккумуляторам. Анализ также подтверждает, что уплотнение в основном определяется нагревом, осуществляемым под давлением. Эта работа даёт представление об оптимизации высокотемпературного спекания плотных оксидных твёрдых электролитов для аккумуляторов следующего поколения.

Учёные сделали экологичный аккумулятор на витамине B2

Прогресс в развитии аккумуляторов движется по разным направлениям, включая поиск биоразлагаемых и безопасных для природы и человека ингредиентов батарей. Новым и перспективным открытием на этом пути стала разработка проточной батареи на основе процессов, имитирующих выработку энергии в теле человека. Более безопасную технологию просто трудно представить — основными составляющими процесса являются витамин B2 и глюкоза.

Витамин и ложка сахара буквально могут стать основой для нового поколения экологически чистых аккумуляторов. Об открытии в журнале ACS Energy Letters сообщили исследователи Бингемтонского университета в США (Binghamton University, SUNY). Разработка не использует металлические катализаторы и опасные соединения для электродов и электролита. Окисление глюкозы высвобождает электроны, а переносчиком зарядов выступает рибофлавин — обычный витамин B2. Примерно такие процессы происходят в организме человека, когда глюкоза из пищи с помощью ферментов и молекул превращается в энергию для поддержания жизни, а рибофлавин является её фактическим переносчиком.

Проточные аккумуляторы отличаются от обычных тем, что в них энергия накапливается в жидком электролите, который циркулирует по системе. Когда электролит перемещается между положительным и отрицательным электродами, он вступает в химические реакции, в результате которых энергия высвобождается или накапливается. Сегодня наиболее распространены ванадиевые проточные батареи. Прототип проточной батареи на витамине и глюкозе при комнатной температуре показал себя не хуже коммерческой ванадиевой, что подчёркивает хорошие перспективы разработки.

Более того, в новой конструкции биоразлагаемого аккумулятора традиционные катализаторы из золота и платины заменены углеродными электродами. У отрицательного электрода глюкоза окислялась, теряя электроны, которые тут же подхватывал витамин B2, а у положительного электроны вступали в связь благодаря кислороду либо феррицианиду калия, создавая ток. При этом витамин рибофлавин оставался стабильным даже в сильно подщелоченной среде, необходимой для поддержания активности глюкозы.

Элемент на основе феррицианида калия показал такую же удельную мощность при комнатной температуре, как и коммерческие ванадиевые проточные батареи. Это доказывает, что рибофлавин может работать наравне с системами на основе металлов. Версия на основе кислорода реагировала медленнее, но была более практичной и экономичной для крупномасштабного производства. Небольшой проблемой стало разрушение рибофлавина на свету в присутствии кислорода, но это решаемо. Привлекательной остаётся более высокая удельная мощность батареи в присутствии кислорода.

Напечатанный на 3D-принтере прототипе батареи на витамине и глюкозе. Источник изображения: Binghamton University

После доработки аккумуляторная система на основе рибофлавина и глюкозы может стать важным шагом на пути к устойчивому хранению энергии. Благодаря натуральным, биоразлагаемым и недорогим компонентам такие аккумуляторы однажды могут стать экологичной альтернативой для питания домов или небольших устройств без использования токсичных металлов и зависимости от сложных цепочек поставок.

Учёные преодолели ключевое ограничение натрий-ионных батарей с помощью нового анода

Учёные из США совершили значительный прорыв в технологии аккумуляторов, разработав оловянный анод, который позволяет натрий-ионным батареям превзойти по плотности энергии коммерческие литий-железо-фосфатные элементы. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и компании Unigrid Battery достигли выдающейся плотности энергии благодаря новой простой, но мощной конструкции. Полностью собранные ячейки в мягкой упаковке демонстрируют рекордные показатели в 178 ватт-часов на килограмм и 417 ватт-часов на литр.

Натрий-ионные батареи долгое время считались перспективной альтернативой литий-ионным, поскольку натрий является распространённым, недорогим и доступным материалом, что делает его устойчивым выбором для крупномасштабного хранения энергии. Однако главным сдерживающим фактором развития этой технологии оставалась ограниченная плотность энергии, во многом обусловленная использованием традиционных анодов из твёрдого углерода.

Для преодоления этого ограничения исследователи обратились к олову — металлу, способному образовывать высокоёмкие сплавы с натрием и хранить почти в три раза больше заряда. На практике оловянные аноды сталкивались с серьёзными проблемами, такими как большое объёмное расширение и плохая совместимость с электролитом, что приводило к быстрой деградации. Однако учёные выяснили, что для достижения стабильной работы потребовалась минимальная модификация: они использовали электрод из почти чистого олова, который создаёт высокопроводящую и механически стабильную структуру.

Новый оловянный анод продемонстрировал исключительную стабильность в паре с катодом из натрий-хромового оксида. Пакетные ячейки сохранили около 90% своей ёмкости после 100 циклов зарядки-разрядки, при этом было зафиксировано минимальное рост сопротивления. Микроскопические исследования показали, что в процессе циклов олово реорганизуется в более однородную и взаимосвязанную структуру, способствующую равномерному распределению натрия и подавлению деградации.

Учёные уверены, что оловянные аноды могут вывести натрий-ионные батареи на уровень конкуренции с ведущими современными технологиями. Это открытие может найти применение в таких областях, как накопление энергии, интеграция возобновляемых источников и электрическая мобильность.

Исследование было опубликовано в Journal of The Electrochemical Society.

На видео демонстрация теплового разгона (неконтролируемого саморазогрева литиевых аккумуляторов при повреждении или КЗ), когда выделяющееся тепло запускает экзотермические реакции в соседних ячейках, что приводит к каскадному разрушению всей батареи с выделением огромного количества энергии, огня и токсичного дыма.

Новый органический аккумулятор выдерживает 40 000 циклов зарядки

Ученые из Китая и Сингапура разработали батарею HAT-TP с добавлением цинка, способную преодолеть основные ограничения органических аккумуляторов — низкую мощность и нестабильность. Новый полимерный материал обеспечивает начальное напряжение 1,32 В и сохраняет 93% емкости после 40 000 циклов зарядки-разрядки. Разработка открывает путь к безопасным, перерабатываемым и эффективным источникам энергии для гибкой электроники и больших систем хранения данных.

Органические батареи могли бы стать идеальным решением для хранения энергии благодаря легкости, перерабатываемости и отсутствию токсичных металлов. Однако им не хватает мощности и стабильности. Исследователи создали новый полимерный материал, который преодолевает эти ограничения, обеспечивая рекордное напряжение и долговечность.

Аккумулятор HAT-TP основан на гексаазатрифенилене и триптиценовых фрагментах, объединенных в трехмерный полимерный каркас. Такая структура увеличивает количество электроактивных центров и улучшает проводимость. Она также снижает растворимость катода в электролите, что хорошо сказывается на сроке службы батареи. В результате аккумулятор демонстрирует стабильную работу и выдающиеся электрохимические свойства.

Механизм работы батареи основан на обратимой совместной вставке ионов цинка (Zn²⁺) и протонов (H⁺), что позволяет аккумулятору переносить пять электронов и демонстрировать высокую окислительно-восстановительную активность. Теоретические расчеты показали, что в HAT-TP ионы цинка и протоны особенно прочно связываются с полимерной структурой. Это объясняет, почему батарея способна выдавать высокое напряжение при разряде.

Испытания показали, что батарея обеспечивает начальное напряжение 1,32 В и среднее напряжение 1,17 В, а также сохраняет более 93% емкости после 40 000 циклов при нагрузке 5 А·г⁻¹ с почти 100% кулоновской эффективностью. Это один из самых высоких показателей долговечности для цинк-органических аккумуляторов на водной основе. Плотность энергии составила 192,8 Вт·ч·кг⁻¹.

Батареи HAT-TP могут применяться в крупномасштабных хранилищах энергии, а также в гибкой и носимой электронике, где важны легкость, безопасность и экологичность. Исследователи полагают, что принципы проектирования трехмерных полимеров можно перенести на другие аккумуляторные системы, включая литий-серные и натриевые батареи.

Создан прорывной катод на основе железа для литий-ионных батарей

Исследователи из США создали катодный материал на основе железа, который отдает и принимает пять электронов вместо обычных двух-трех, что значительно увеличит потенциал аккумулятора. Доступность железа делает его привлекательной заменой кобальту и никелю в литий-ионных аккумуляторах, однако на сегодня литий-ионные аккумуляторы с катодами из железа имеют низкое напряжение. Помимо литий-ионных аккумуляторов, эта технология может найти применение в магнитно-резонансных томографах, маглев-поездах и, возможно, в сверхпроводниках.

Для того чтобы избавиться от зависимости от дорогостоящего кобальта, производство которого во многом контролирует Китай, производители литий-ионных батарей переходят на литий-железо-фосфатные катоды. Появление более высоковольтных аккумуляторов позволило бы производителям полностью отказаться от использования никеля и кобальта. С этой целью ученые из Стэнфордского университета синтезировали новый материал из лития, железа, сурьмы и кислорода. И продемонстрировали его стабильность.

Железо регулярно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, высвобождая и поглощая электроны. Как правило, атомы железа ограничивают свой вклад в ОВР двумя или тремя из 26 электронов. Ученые решили подстегнуть этот процесс и заставить железо отдавать и принимать пять электронов на один атом.

Исследователи предположили, что ключом к этому должно стать предотвращение сближения атомов железа в кристаллической структуре материала. В противном случае побочные реакции предотвратят более высокую степень окисления железа. Использование такого материала в катоде литий-ионного аккумулятора позволит аккумулятору накапливать больше энергии и обеспечит более высокое напряжение, пишет Stanford News.

Поначалу кристаллическая структура материала не выдерживала и ломалась во время зарядки. Для решения этой проблемы ученые уменьшили материал до 300-400 нм, вырастив его в растворе.

Электрохимические испытания и спектрограммы подтвердили, что энергетический потенциал материала увеличился. Детальное моделирование спектров показало, что два дополнительных электрона исходят не от атомов железа, а от кислорода с участием железа.

В отличие от предыдущего материала, который скручивался и разрушался после того, как ионы лития отделялись и направлялись к аноду во время зарядки, материал, изготовленный из наночастиц, немного изгибался, чтобы заполнить освободившиеся литиевые пространства, но оставался целым.

Теперь, когда ученые разобрались, как повысить уровень окисления железа и поддерживать его в этом состоянии, они принялись за решение практических инженерных задач: изменение формы частиц, состава материала и химических свойств, чтобы найти комбинацию, подходящую для коммерческого применения. Важнейшей задачей является поиск замены сурьме. Как и кобальт, это дорогой минерал, зависящий от логистики, но у команды есть несколько кандидатов на замену.

Британская компания Altilium производит батареи для электромобилей, изготовленные почти на 100% из переработанных материалов. Первоначальные результаты испытаний показывают, что их производительность не уступает элементам, изготовленным традиционным способом.

Учёные создали искусственные белки для безопасного хранения энергии

Испанские исследователи совершили значительный шаг в развитии экологически чистой энергетики и биоэлектроники, создав искусственные белки, способные транспортировать и накапливать электрическую энергию. Эта разработка открывает путь к созданию нового поколения устойчивых и биосовместимых проводящих материалов. Работа была проведена специалистами из CIC biomaGUNE в сотрудничестве с партнерами из BCMaterials и CIC energiGUNE.

Ключевое преимущество этой белковой технологии заключается в её безопасности и устойчивости. В будущем такие проводящие белки могут заменить традиционные, зачастую токсичные материалы, используемые сегодня в аккумуляторах и суперконденсаторах. Искусственные белки были созданы в лаборатории с использованием модульного подхода. Они состоят из небольших повторяющихся молекулярных единиц, которые, подобно кирпичикам LEGO, последовательно собираются в более крупную, высокоупорядоченную и стабильную структуру. Эта модульность позволяет исследователям легко наделять материал специфическими функциями, такими как эффективная ионная проводимость.

Для достижения проводящих свойств учёные применили целенаправленный биологический метод, генетически модифицируя ДНК, которая содержит инструкции по производству белка. Это изменение генетического кода позволило перепроектировать конечный белок, наделив его способностью к успешному перемещению электрического заряда. Как пояснили разработчики, внесённые в белок изменения облегчили движение ионов внутри материала, и благодаря этому свойству ионной проводимости белки были успешно интегрированы в устройство для накопления энергии, способное очень быстро сохранять и высвобождать энергию.

Врождённая биосовместимость этих белков делает их гораздо более безопасными для человеческого организма по сравнению с существующими электронными компонентами из металлов или кремния, которые могут вызывать раздражение и повреждение тканей. Новая технология может найти применение в создании медицинских имплантатов следующего поколения, таких как кардиостимуляторы, имплантируемые датчики глюкозы и мозговые электроды для лечения неврологических заболеваний. В перспективе даже портативная электроника, например телефоны и фитнес-трекеры, может работать от энергии, запасённой в биоразлагаемых, экологически безопасных материалах.

Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Advanced Materials.

В Мексике разработали безопасную цинк-воздушную батарею, которая не боится повреждений и воды

Мексиканские исследователи разработали революционную цинк-воздушную батарею, которая продолжает работать даже после прокола, воздействия открытого огня или полного погружения в воду. Ученые из Центра исследований передовых материалов (CIMAV) в Мексике, создавшие прототип, утверждают, что в аналогичных условиях традиционные литий-ионные аккумуляторы, используемые в смартфонах и электромобилях, с большой вероятностью воспламенились бы. Руководитель проекта, доктор наук Ноэ Архона, заявил, что данная технология демонстрирует путь к созданию более безопасных и экологичных систем хранения энергии, поскольку исключает использование легковоспламеняющихся материалов, характерных для литий-ионных элементов.

В отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые зависят от дорогостоящих и токсичных лития и кобальта, добыча которых наносит вред окружающей среде, новая батарея использует кислород из воздуха для генерации энергии. Внутри элемента углеродная пластина с распределенными атомами никеля заменяет объемные металлические электроды, что значительно сокращает количество необходимого сырья при сохранении высокой производительности. Для анализа прототипа на молекулярном уровне исследователи использовали синхротрон Canadian Light Source в Университете Саскачевана. Мощные рентгеновские лучи подтвердили равномерное распределение атомов никеля по углеродной поверхности. Эта структура в сочетании с гелевым электролитом и цинком устранила риски возгорания, присущие батареям с большим содержанием металла и легковоспламеняющихся электролитов.

Для проверки устойчивости элемента ученые провели серию жестких испытаний: проткнули его гвоздем, подожгли и погрузили в воду. После каждого теста прототип оставался полностью функциональным, демонстрируя беспрецедентный уровень прочности и безопасности. Кроме того, конструкция батареи сохраняла стабильность и эффективность при экстремальных температурах, не показывая значительной потери производительности ни в сильную жару, ни в мороз. Как отметил Архона, такая технология может решить проблему зарядки аккумуляторов электромобилей в условиях очень холодного климата.

Ученые надеются, что устойчивость их разработки сделает цинк-воздушные батареи идеальными для электромобилей, аэрокосмических систем и удаленных датчиков, работающих в сложных условиях. Использование доступных металлов, таких как никель, вместо лития или кобальта, может дополнительно снизить стоимость. Команда также изучает возможности внедрения биоразлагаемых компонентов, которые после окончания срока службы батареи могли бы обогащать почву и поддерживать рост растений. При этом Архона подчеркнул, что, несмотря на оптимизм, необходимы дальнейшие исследования, прежде чем эта разработка сможет заменить существующие аккумуляторы.

Исследование было опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

2000 циклов без деградации, в 10 млрд раз быстрее. Новый анод делает твёрдотельные батареи выносливее, чем когда-либо

Инженеры научились управлять фазами металла — и сделали аноды, где литий движется без сопротивления.

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали подход, который может заметно ускорить развитие твёрдотельных аккумуляторов — энергоёмких и безопасных источников питания будущего. Исследователи выяснили, как изменить поведение металлических сплавов в анодах, чтобы литий двигался по ним быстрее и стабильнее, а сами батареи выдерживали тысячи циклов зарядки без деградации.

Работа выполнена в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийских университетов в Ирвайне и Санта-Барбары, а также инженерами компании LG Energy Solution. Команда сосредоточилась на литий-алюминиевых сплавах, которые рассматриваются как перспективные материалы для отрицательных электродов. Учёные исследовали, как ионы лития перемещаются внутри этих сплавов между двумя структурами — литий-насыщенной β-фазой и фазой, бедной литием (α-фазой).

Эти состояния можно представить как два разных ландшафта для ионов: в β-фазе они движутся свободно, почти без сопротивления, а в α-фазе сталкиваются с энергетическими барьерами и теряют подвижность. Именно это различие ограничивает скорость зарядки и влияет на долговечность аккумулятора.

Было решено проверить, можно ли управлять распределением фаз в сплаве, изменяя соотношение лития и алюминия. Оказалось, что при увеличении содержания лития материал всё чаще переходит в β-фазу, где атомы образуют плотную и устойчивую решётку с «ускоренными» каналами для переноса. В таких областях ионы двигались до 10 миллиардов раз быстрее, чем в обеднённой литием α-фазе. Это открытие стало ключевым: преобладание β-фазы не только увеличивало скорость переноса заряда, но и делало анод более плотным и стабильным, улучшая контакт с твёрдым электролитом.

Для проверки гипотезы инженеры изготовили образцы аккумуляторов с анодами, обогащёнными β-фазой, и протестировали их в лаборатории. Эти ячейки показали высокую скорость зарядки и разрядки и сохраняли ёмкость после 2000 циклов, что считается отличным результатом для твердотельных систем, которым обычно мешают структурные дефекты и потеря проводимости на границах электродов.

Авторы подчёркивают, что впервые удалось напрямую связать внутреннее распределение фаз в литий-алюминиевых сплавах с поведением лития при диффузии. Это открывает возможность точного проектирования анодов, где микроструктура задаётся не случайно, а целенаправленно, в зависимости от требуемого баланса между ёмкостью, стабильностью и скоростью переноса.

Ключ к этому успеху — в способе изготовления материала. Вместо традиционного метода Чохральского, при котором исходные компоненты расплавляют при температуре выше 2000 °C, а затем медленно охлаждают, команда использовала молекулярно-пучковую эпитаксию (MBE). Этот подход позволяет «собирать» кристалл послойно, атом за атомом, и точно контролировать распределение лития и алюминия в решётке.

В результате получились высококачественные редкоземельные кристаллы с минимальным количеством дефектов. Они обеспечили долгое время когерентности спина кубитов на уровне 10 миллисекунд и рекордно узкую оптическую линию шириной в килогерцы — показатели, которые раньше были недостижимы для подобных материалов.

Кроме того, исследователи добились однократного считывания состояния кубитов и когерентного микроволнового управления ими в интегрированном оптоволоконном модуле, что делает систему масштабируемой и совместимой с существующей телекоммуникационной инфраструктурой.

Эта технология приближает момент, когда твёрдотельные аккумуляторы смогут перейти от лабораторных прототипов к промышленному производству. Высокая плотность энергии, термостабильность и возможность быстрой зарядки делают их кандидатом №1 для электромобилей, смартфонов и накопителей энергии следующего поколения.

Американская Sakuu придумала, как увеличить срок службы электродов в батареях в два раза до 4000 циклов

При производстве тяговых батарей для электротранспорта используется настолько сложное сочетание химических и физических процессов, что многие компании активно экспериментируют на каждом из этапов, чтобы добиться технического прогресса. Американская Sakuu нашла способ увеличить срок службы электродов в два раза и поднять показатели остаточной ёмкости.

Примечательно, как сообщает Interesting Engineering, что подобный прогресс достигается за счёт изменения техпроцесса производства электродов для тяговых батарей. Sakuu на своём оборудовании нового поколения использует полностью «сухой метод» изготовления катодов, который не требует применения токсичных растворителей и загрязнения большого количества воды.

Полученные опытным путём аккумуляторные ячейки нового типа позволяют сохранить до 83 % остаточной ёмкости после 4000 циклов заряда и разрядки. Фактически, это в два раза выше типовых требований для тяговых аккумуляторов электромобилей. Обычная NCM-батарея способна сохранить не менее 80 % остаточной ёмкости после 2000 циклов зарядки и разрядки. Sakuu при помощи своего оборудования предлагает буквально «печатать» электроды литийионных батарей сухим методом. Эксперименты конкурентов в этой сфере не всегда завершались успехом, по словам представителей Sakuu, особенно если речь шла о катодах.

В своих экспериментальных ячейках Sakuu поменяла только технологию изготовления катодов, а химический состав остался прежним: анод изготавливается из графита, а катод — из комбинации никеля, кобальта и марганца. Новый сухой метод производства катода позволяет не только исключить использование токсичных растворителей и воды, но и на 55 % уменьшить выбросы углекислого газа, а также довольствоваться на 60 % меньшей площадью для размещения оборудования. В целом, на операционных расходах по новому методу экономится до 30 %.

Фирменная технология Kavian для печати электродов позволяет изготавливать как катоды, так и электроды, экспериментируя в случае необходимости с их химическим составом. На таком оборудовании также можно изготавливать сухим методом электроды для суперконденсаторов. Подобные компоненты могут пригодиться для подсистемы питания центров обработки данных, сосредоточенных на сфере ИИ. Поставки такого оборудования клиентам Sakuu скоро начнутся, а ещё компания сама изготавливает сотни метров «сухих» электродов для клиентов, предпочитающих сразу получать готовую продукцию этого типа. Сотрудничество в этой сфере ведётся с компанией IBC.

Твердотельный аккумулятор Dongfeng на 350 Вт·ч/кг обеспечит запас хода более 1000 км

Китайская компания Dongfeng Automobile анонсировала новое поколение твердотельных аккумуляторов с плотностью энергии 350 Вт⋅ч/кг, внедрение которых в автомобили планируется на сентябрь 2026 года. Уже сейчас работает опытная производственная линия мощностью 0,2 ГВт⋅ч. Ожидается, что автомобили с этим аккумулятором смогут проезжать более 1000 км без подзарядки.

Аккумуляторная система представляет собой многокомпонентный блок с тройным катодом высокой емкости, кремний-углеродным анодом и твердым электролитом на основе оксидно-полимерного композита. Компания отмечает, что при температуре −30 °C аккумулятор сохраняет более 72% своей энергии, тогда как обычные жидкостные тройные батареи удерживают около 60%. Испытания на безопасность показали, что батарея выдерживает нагрев до 170 °C, что превышает национальный стандарт в 130 °C.

На Всемирной конференции по аккумуляторным батареям 2025 года Dongfeng представила платформу Mach Super-kV Pure-Electric Platform — высоковольтную архитектуру 1200 В с силовым модулем из карбида кремния на 1700 В. Платформа оснащена быстрозаряжаемым композитным элементом 12 °C, совместимым с зарядным устройством мощностью 2 МВт, которое обеспечивает запас хода 2,5 км за 1 секунду и 450 км за 5 минут. Система также поддерживает автономную зарядку и бесконтактную оплату.

Высокоскоростной двигатель платформы развивает до 30 000 об/мин, что в сочетании с батареей позволяет автомобилю преодолевать более 1000 км на одном заряде. Аккумулятор выдерживает удар силой 1500 Дж, оснащен 48-часовым контролем теплового разгона и предохранителем, срабатывающим при перегрузке двигателя.

Dongfeng также работает над версией твердотельного аккумулятора с функцией быстрой зарядки с плотностью энергии 350 Вт·ч/кг, внедрение которого в автомобили запланировано на декабрь 2027 года. Также ведутся исследования твердотельного элемента на основе сульфида с плотностью энергии 500 Вт·ч/кг. Это позволит еще больше увеличить запас хода будущих электромобилей и сократить время зарядки.