Ученые из Стэнфордского университета в США, впервые смогли сконструировать надежный и эффективный аккумулятор с литиевым анодом. В будущем это позволит создавать более компактные, легкие, дешевые и энергоемкие перезаряжаемые источники питания, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.

Стандартная конструкция аккумулятора включает три ключевых элемента: катод (отрицательный электрод), электролит и анод (положительный электрод).

Наиболее распространенные на сегодняшний день — литиево-ионные аккумуляторы, в которых переносчиком заряда выступает ион лития. При этом анод чаще всего изготавливают из графита.

Графит — самый популярный материал для анода, но не самый эффективный, рассказал процессор Стэнфордского университета по материаловедению и руководитель проекта И Цуй (Yi Cui). Более эффективным является литий.

«Из всех материалов, которые можно использовать для изготовления анода, литий обладает самым большим потенциалом, — рассказал ученый. — Он имеет малый вес и наиболее высокую энергетическую плотность. С ним вы можете получить больше мощности на единицу объема и веса — иными словами, создавать более легкие, компактные и мощные элементы питания». Цуй добавил, что, по его предположениям, литиевый анод способен в теории увеличить емкость батареи в 3-4 раза.

Проблема заключается в том, что, во-первых, литий быстро вступает в химическую реакцию с электролитом, и, во-вторых, при осаждении на литиевом аноде ионов лития он значительно увеличивается в размерах, что быстро ведет к деградации аккумулятора.

По словам руководителя проекта, различные ученые десятилетиями бились над решением этих проблем, которые его команде, наконец-таки, удалось решить с помощью одного дополнительного элемента — своеобразного защитного кожуха, окутывающего анод и представляющего собой сетку толщиной 20 нм из углеродных куполов. Эта сетка препятствует вступлению лития в реакцию с электролитом и является достаточно гибкой, чтобы растягиваться по мере расширения анода.

Как правило, что батарею можно отправлять в массовое производство, если ее кулоновская эффективность (относительный объем сохраняемого на аноде лития после цикла заряда-разряда) составляет 99,9% и больше и не снижается ниже этого значения продолжительное время.

До настоящего момента аккумуляторы с литиевым анодом, созданные в лабораторных условиях, показывали кулоновскую эффективность на уровне 96%. Причем она падала ниже 50% спустя всего лишь 100 циклов заряда-разряда. Исследователям же из Стэнфордского университета удалось достичь значения в 99%, которое сохранялось таким даже спустя 150 циклов.

«Разница между 99% и 96%, если речь идет об аккумуляторах, колоссальна, — заявил Цуй. — Да, мы не добились 99,9%, которые нам нужны. Но мы проделали важную работу и значительно приблизились к этой цифре. Мы продолжим научную работу, и я верю, что если нам удастся разработать новый электролит, литиевые аноды, в конечном счете, найдут широкое применение в аккумуляторах».