Группа инженеров под руководством 94-летнего Джона Гуденафа (John Goodenough), одного из создателей литий-ионного аккумулятора, разработала полностью твердотельную батарею. Она не возгорается, быстро заряжается, выдерживает больше тысячи циклов зарядки и разрядки, отлично работает на морозе и недорого стоит. Описание разработки опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.
«Цена, безопасность, плотность энергии, скорость зарядки-разрядки и срок службы крайне важны для того, чтобы автомобили на аккумуляторных батареях получили более широкое распространение, — говорит Гуденаф. — Мы считаем, что наше открытие решает множество проблем, характерных для современных батарей». Исследователи продемонстрировали, что плотность энергии нового аккумулятора в три раза выше плотности энергии обычных литий-ионных батарей. Это значит, что на электромобиле, который работает на такой батарее, можно будет проехать в три раза большее расстояние. Кроме того, новый аккумулятор быстрее заряжается и дольше служит.
В современных литий-ионных аккумуляторах ионы лития перемещаются между анодом (отрицательно заряженным полюсом) и катодом (положительно заряженным полюсом) благодаря жидким электролитам. Но иногда в жидком электролите формируются металлические нити — дендриты. Их рост может вызвать короткое замыкание, из-за которого батарея может взорваться или загореться. Вместо жидких электролитов инженеры применили стеклянные — в результате они смогли использовать аноды из щелочных металлов и при этом избежать формирования дендритов.
Аноды из лития, натрия и калия — их не применяют в традиционных батареях — увеличили плотность энергии катода, а вместе с ней — срок жизни батареи. Эксперименты показали, что новый элемент питания выдерживает больше 1200 циклов зарядки-разрядки. Электролиты на основе твёрдого стекла сохраняют высокую проводимость при −20 градусах Цельсия, поэтому новая батарея будет хорошо работать при низких температурах. Это первая полностью твердотельная батарея, которая работает при −60 градусах.
Ведущий автор исследования, Мария Хелена Брага (Maria Helena Braga), занимается разработкой твердотельных стеклянных электролитов уже давно. Около двух лет назад она присоединилась к научной группе Техасского университета в Остине (University of Texas at Austin) — Гуденафу и Эндрю Меркисону (Andrew Murchison). Вместе учёные разработали и запатентовали новую версию электролита, которая позволяет упростить и удешевить процесс производства аккумуляторов. «Стеклянные электролиты позволяют заменить литий дешёвым натрием. Натрий получают из морской воды, которая широко доступна», — объясняет Брага.
Исследователи продолжают работу над элементами питания и готовят заявки на другие патенты. В ближайшем будущем они начнут работать с производителями и протестируют новые материалы в электромобилях и аккумуляторах.