Прорыв в создании твердотельных батарей: учёные приблизились к теоретическому пределу ёмкости серы

Исследовательская группа под руководством Чэнь-Жуй Хуана из Чикагского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего нашла способ раскрыть этот потенциал, разработав практичные твердотельные батареи на основе литий-серной химии. Ключевой проблемой всегда была изолирующая природа серы, из-за которой большая её часть оставалась электрохимически недоступной. Подбирая оптимальный размер частиц порошка твёрдого электролита и изменив стратегию производства, учёные создали композитный катод, приближающийся к теоретическому пределу ёмкости серы.

Вместо добавления новых материалов команда усовершенствовала процесс смешивания, разработав одноэтапный помол всех трёх компонентов (серы, твёрдого электролита и углерода) вместе. Это не только обеспечило равномерное распределение, но и создало метастабильную межфазную границу, частично связывающую сульфидный электролит с серой, что парадоксальным образом повысило производительность. Технология успешно продемонстрировала свою масштабируемость в практическом формате pouch cell (пакетном элементе).

Исследователи также решили проблему «дыхания» материалов (расширения и сжатия при зарядке), объединив серный электрод с кремниевым анодом. Благодаря тому, что эти материалы расширяются и сжимаются в противофазе, их объёмные изменения частично компенсируют друг друга, что снижает механическое напряжение и продлевает срок службы батареи. Такой подход помогает сохранять механическую стабильность элемента на протяжении всего цикла работы.

Как подчёркивает профессор Ширли Мэн, партнёрство между академическими институтами и промышленностью (в частности, с LG Energy Solution) доказывает, что низкая стоимость и высокая производительность не исключают друг друга. Твердотельные батареи, не содержащие легковоспламеняющихся жидкостей, не только безопаснее, но и благодаря новой технологии становятся доступнее. Это открывает путь к созданию электромобилей с большим запасом хода и реальным климатическим преимуществам.