Материал с необычными свойствами позволит доработать современные аккумуляторы — и на их зарядку будут уходить не часы, а секунды.

Гербранд Седер (Gerbrand Ceder) и его коллеги, предложившие новую технологию, обращают внимание на то, что все компоненты, которые они использовали в своей работе, уже существуют и применяются, а поэтому можно ждать, что на практическое внедрение не будет потрачено слишком много времени. По их мнению, появление в продаже сверхбыстро заряжающихся батарей — вопрос 2−3 лет. Но чтобы объяснить популярно, в чем суть новинки, придется начать издалека.

Современные литиевые перезаряжаемые аккумуляторы несут очень высокую плотность энергии и способны хранить довольно значительный заряд. Хуже то, что процесс переноса заряда, который происходит во время перезарядки, занимает кучу времени: такие аккумуляторы медленно разряжаются и медленно заряжаются. Профессор Седер поясняет это на примере: «Вспомните аккумуляторы для электромобилей. В них немало энергии, на скорости до 90 км/ч вы сможете проехать на ней довольно долго. Но скорость отдачи этой энергии невелика, и быстрый разгон нельзя отнести к преимуществам автомобилей».

С чем это связано? Традиционно считается, что основную роль в процессе переноса заряда в этих аккумуляторах принимают участие положительно заряженные ионы лития, которые мигрируют через материал батареи: когда они движутся от катода к аноду, идет отдача заряда, а при подзарядке внешнее поле «насильно» перемещает их обратно. Проблема в том, что процесс этот идет слишком медленно. Однако около 5 лет назад Седер и его коллеги сделали неожиданное открытие. Компьютерное моделирование этого материала (смесь фосфатов лития и железа) показало, что в теории ионы лития могут перемещаться через него с очень большой скоростью. «Выходит, проблема была где-то в другом», — комментирует рассказ Гербранд Седер.

Ученые провели дополнительные расчеты, показав, что задержка вызывается особенностями строения материала батареи. Частицы фосфата на нем образуют наноразмерные сферы, плотно заполняющие всю батарею и пронизанные массой каналов. И если сквозь сами частицы и окружающее их пространство ион лития проходит очень быстро, каждый раз перед входом в канал он задерживается. Если такой ион лития располагается прямо над входом в, проблемы нет, и он быстро проходит сквозь него. Но чаще происходит не так, и ион «дожидается», пока не окажется в нужном месте.

Теперь Седер с коллегами знали, в чем состоит загвоздка, и начали переходить от теории к практике. Они решили создать обходные пути вокруг частиц, которыми ионы в своем движении смогут воспользоваться — словом, каждую окружить кольцевой автодорогой. Благодаря специальному покрытию из фосфата лития на частице ионы не «толпятся» у входов в каналы, а скользят по поверхности, пока не встретят первый попавшийся канал, куда мигом проскакивает. Ученые сообщают, что такое покрытие позволило в лаборатории разряжать и подзаряжать небольшой аккумулятор за считанные секунды.

Читайте также о новых батареях, которые можно мять, складывать и резать: «Электробумага».

По пресс-релизу MIT News Office