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.

Микробы разлагают пластик на глубине 855 метров

Новый материал бросает вызов традиционным представлениям о долговечности пластикового загрязнения.

Ученые представили новый вид экологичного пластика, который разлагается даже в глубинах океана. В ходе эксперимента материал под названием LAHB (полилактид-ко-3-гидроксибутират) полностью разложился под действием микроорганизмов, в то время как традиционный биопластик PLA остался неизменным. Образцы погрузили на глубину 855 метров, где через 13 месяцев пленки LAHB потеряли более 80% массы благодаря активной работе микробных биопленок. Это первое реальное доказательство того, что LAHB может быть безопасной альтернативой обычным пластикам и помочь в борьбе с загрязнением морей.

Подробности опубликованы в издании Polymer Degradation and Stability.

Несмотря на растущую популярность биопластиков, проблема загрязнения окружающей среды пластиком остается одной из самых острых в мире. Согласно отчету ОЭСР за 2022 год, в 2019 году было произведено 353 миллиона метрических тонн пластиковых отходов, из которых почти 1,7 миллиона тонн попали непосредственно в водные экосистемы. Большая часть этого мусора скапливается в крупных океанических течениях, формируя известные «мусорные пятна» в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах.

Чтобы решить эту проблему, исследователи искали пластики, которые могут надежно разлагаться в глубоководных условиях. Одним из перспективных кандидатов стал LAHB — полиэфир на основе молочной кислоты, синтезированный с помощью генетически модифицированной кишечной палочки. Ранее было показано, что LAHB эффективно разлагается в речной воде и на мелководье.

В июле 2025 года японские ученые впервые доказали, что LAHB способен разлагаться и в глубоководных условиях, где низкие температуры, высокое давление и недостаток питательных веществ крайне затрудняют процесс разложения. Исследование проводилось под руководством профессора Сэйити Тагучи из Института акварегенерации Университета Синсю, доктора Сюнъити Исии из Японского агентства науки и технологий по изучению морских недр и профессора Кэнъити Касуя из Центра пищевых наук Университета Гумма.

“

Наше исследование впервые демонстрирует, что LAHB, микробный полиэфир на основе молочной кислоты, подвергается активному биологическому разложению и полной минерализации даже на дне глубокого моря, где традиционный PLA остается совершенно неизменным, — поясняет профессор Тагучи.

Команда погрузила два типа пленок LAHB — с содержанием молочной кислоты 6% (P6LAHB) и 13% (P13LAHB) — вместе с обычной пленкой PLA для сравнения. Образцы разместили на глубине 855 метров near острова Хацусима, где холодная вода (3,6°C), высокая соленость и низкое содержание кислорода создают крайне сложные условия для микробного разложения.

Через 7 и 13 месяцев пленки LAHB показали явные признаки разложения. P13LAHB потеряла 30,9% массы за 7 месяцев и более 82% — за 13 месяцев. P6LAHB продемонстрировала схожую динамику. В то же время пленка PLA не показала никаких изменений в весе или внешнем виде, что подтвердило ее устойчивость к микробному воздействию. Поверхность LAHB покрылась трещинами и микробными биопленками, состоящими из овальных и палочковидных бактерий, что указывало на активное заселение и разложение материала. PLA же осталась чистой и без признаков биопленки.

Чтобы понять механизм разложения, ученые проанализировали «пластисферу» — сообщество микроорганизмов, сформировавшееся на поверхности пластика. Оказалось, что разные группы микробов играют различные роли:

•Доминирующие роды Gammaproteobacteria (включая Colwellia, Pseudoteredinibacter, Agarilytica и UBA7957) производили специализированные ферменты — деполимеразы, которые расщепляют длинные полимерные цепи на более мелкие фрагменты.

•Некоторые виды, такие как UBA7959, также производили гидролазы олигомеров, которые further расщепляют эти фрагменты на мономеры.

После этого другие микробы, включая Alpha-proteobacteria и Desulfobacterota, потребляли мономеры, такие как 3HB и лактат. Вместе эти microbial сообщества преобразовывали пластик в диоксид углерода, воду и другие безвредные соединения, которые возвращаются в морскую экосистему.

Это исследование заполняет критический пробел в понимании того, как биопластики разлагаются в удаленных морских условиях. Доказанная способность к разложению делает LAHB перспективным материалом для создания более безопасных продуктов.

“

Эта работа направлена на одно из самых серьезных ограничений современных биопластиков — их неспособность разлагаться в морской среде. Показав, что LAHB может разлагаться и минерализоваться даже в глубоководных условиях, мы открываем путь к более безопасным альтернативам традиционным пластикам и поддерживаем переход к циркулярной биоэкономике», — говорит профессор Тагучи.

Это исследование имеет практическую значимость в нескольких аспектах:

•Снижение загрязнения океана: LAHB может стать решением для продуктов, которые часто оказываются в ocean (например, упаковка, рыболовные сети), так как он разлагается даже в экстремальных условиях .

•Стимулирование инноваций: Демонстрация успешного глубинного разложения может ускорить разработку и коммерциализацию подобных материалов.

•Поддержка циркулярной экономики: LAHB, будучи биоразлагаемым, сочетается с принципами циркулярной экономики, уменьшая зависимость от fископаемого топлива и снижая накопление отходов.

•Экологическая политика: Результаты могут повлиять на регулирование и стандарты, поощряя использование действительно биорастворимых пластиков и улучшая стратегии решения проблем загрязнения.

Однако стоит отметить, что исследование проводилось в контролируемых условиях на относительно небольшой глубине (855 метров) и в специфическом месте (около Хацусимы). Глубоководные условия могут значительно различаться в разных частях океана, что может влиять на скорость и эффективность разложения. Кроме того, исследование не полностью оценивает потенциальное воздействие продуктов разложения на морские экосистемы, особенно в долгосрочном периоде. Также необходимо учитывать, что коммерческое производство и масштабирование LAHB могут столкнуться с экономическими и техническими вызовами, такими как более высокая стоимость по сравнению с традиционными пластиками.

Учёные из Тайваня представили новый материал — растягиваемый и самовосстанавливающийся гель, который меняет цвет при механическом воздействии или нагреве.

Он сочетает прочность, способность к заживлению и встроенные сенсоры, что делает его перспективным для носимой электроники и мягкой робототехники.

Обычные мягкие материалы обычно либо хорошо тянутся, но легко рвутся, либо прочные, но не умеют восстанавливаться. Разработанный гель смог объединить эти свойства благодаря особому молекулярному дизайну.

Как отмечает портал Nanowerk , исследователи использовали механически взаимосвязанные молекулы ротаксаны — кольцеобразные структуры, скользящие вдоль «стержня». Они соединены в цепочки и работают как миниатюрные пружины.

К этим молекулам прикрепили флуоресцентный блок DPAC . В свободном состоянии он светится оранжевым, а при ограничении под действием деформации — синим. Таким образом, при растяжении геля его цвет заметно меняется под ультрафиолетом.

Материал встроили в полиуретановую основу с добавлением нанокристаллов целлюлозы. Эти прочные волокна образуют обратимые водородные связи, что обеспечивает самовосстановление структуры. При комнатной температуре повреждения заживают за несколько часов, а при лёгком нагреве — быстрее.

В экспериментах образцы выдерживали до 4600% растяжения, то есть 1 сантиметр геля можно было вытянуть до 46 сантиметров. При этом он оставался прочным и показывал стойкость в 142 МДж/м³ — почти в три раза выше аналогичного состава без ротаксанов.

Одной из ключевых особенностей стала двойная сенсорика. Гель меняет цвет не только при растяжении, но и при изменении температуры: в тепле он оранжевый, при охлаждении или нагрузке становится синим. Это позволяет «читать» распределение напряжения в материале по цвету.

По словам авторов, такое свойство открывает путь к использованию геля в носимых гаджетах, способных в реальном времени отслеживать нагрузку на тело. Он также подходит для мягких роботов, где нужны одновременно гибкость, прочность и чувствительность.

Среди перспективных применений называются искусственная кожа, биомедицинские имплантаты и электроника, устойчивая к повреждениям. Устройства смогут не только выдерживать удары и деформацию, но и показывать видимые признаки износа.

Фактически это «умный» материал, в котором микроскопические молекулы работают как амортизаторы и индикаторы напряжения. Его свойства уже подтверждены лабораторными испытаниями.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials .