Немцы нашли багу во Вселенной — и сделали батареи почти бессмертными
NewsMakerХаос победил: почему сломанные аккумуляторы заряжаются в 10 раз быстрее.
Учёные из Хумбольдтского университета в Берлине разработали новые анодные материалы для литий- и натрий-ионных аккумуляторов, которые демонстрируют исключительную скорость зарядки, повышенную стабильность и долгий срок службы. Ключ к этой технологической прорывной разработке оказался в том, что высокие характеристики достигаются не благодаря совершенному порядку атомов в кристаллической решётке, как считалось ранее, а напротив — за счёт тщательно контролируемого беспорядка на атомном уровне.
В двух недавних научных статьях, опубликованных в Nature Communications и Advanced Materials, команда под руководством профессора Никола Пинны и доктора Патрисии Руссо показала, что намеренное разрушение длиннодиапазонного кристаллического порядка способно значительно увеличить ионную проводимость, усилить стабильность при циклической зарядке-разрядке и даже открыть принципиально новые механизмы накопления заряда в электродных материалах.
Традиционно аноды в аккумуляторах разрабатывались с акцентом на высокоупорядоченные структуры, в которых движение ионов происходило по предсказуемым путям. Однако такое стремление к идеальному порядку имело свои издержки: слишком высокая структурная жёсткость, затруднённая диффузия ионов и быстрое снижение эффективности при высоких скоростях зарядки. Новый подход основан на концепции «управляемого беспорядка» — точечно заданной атомной неупорядоченности, которая создаёт дополнительные каналы для ионного транспорта и увеличивает количество активных участков для накопления заряда.
В рамках исследования были синтезированы материалы на основе ниобий-вольфрамовых оксидов с частичной дезорганизацией кристаллической структуры, а также получена аморфная форма феррониобата — соединения железа и ниобия. В случае с литий-ионными батареями новая модификация анодного материала показала устойчивость к деградации даже после 1 000 циклов полной зарядки и разрядки, сохраняя значительную долю изначальной ёмкости. Для натрий-ионных аккумуляторов, которые считаются более экологичным и доступным решением, было создано принципиально новое анодное вещество, демонстрирующее стабильную работу в течение более чем 2 600 циклов без существенного падения характеристик.
Особое внимание заслуживает структура синтезированного феррониобата: в публикации в Advanced Materials впервые сообщается об использовании колумбитной модификации этого соединения в качестве высокоэффективного анода для хранения натрия. Присутствие ионов железа приводит к разрушению дальнего порядка за счёт локальных искажений структуры октаэдров FeO₆. Это, в свою очередь, инициирует переход материала в аморфное состояние, способное на обратимое накопление ионов натрия.
Параллельно в слоях NbO₆ формируются короткодиапазонные зигзагообразные цепочки, которые создают прочный «каркас», способный стабилизировать структуру и предоставлять многочисленные активные центры для псевдоёмкостного накопления ионов. Такая архитектура также улучшает транспортные свойства, обеспечивая более быстрые и эффективные пути диффузии.
Комбинированное применение аморфных анодов на основе феррониобата для натриевых аккумуляторов и структурно дезорганизованных анодов для литиевых систем открывает перспективы для создания аккумуляторов с ультрабыстрой зарядкой . Это может быть особенно актуально в сфере электромобилей нового поколения, стационарных накопителей энергии для возобновляемых источников , а также в области создания безопасных и долговечных альтернатив существующим аккумуляторным технологиям.
Исследователи подчеркивают: переход от концепции структурного порядка к рационально введённому беспорядку может радикально изменить стратегию разработки материалов в целом, задавая новые ориентиры в проектировании энергоёмких и надёжных аккумуляторных систем будущего .
В двух недавних научных статьях, опубликованных в Nature Communications и Advanced Materials, команда под руководством профессора Никола Пинны и доктора Патрисии Руссо показала, что намеренное разрушение длиннодиапазонного кристаллического порядка способно значительно увеличить ионную проводимость, усилить стабильность при циклической зарядке-разрядке и даже открыть принципиально новые механизмы накопления заряда в электродных материалах.
Традиционно аноды в аккумуляторах разрабатывались с акцентом на высокоупорядоченные структуры, в которых движение ионов происходило по предсказуемым путям. Однако такое стремление к идеальному порядку имело свои издержки: слишком высокая структурная жёсткость, затруднённая диффузия ионов и быстрое снижение эффективности при высоких скоростях зарядки. Новый подход основан на концепции «управляемого беспорядка» — точечно заданной атомной неупорядоченности, которая создаёт дополнительные каналы для ионного транспорта и увеличивает количество активных участков для накопления заряда.
В рамках исследования были синтезированы материалы на основе ниобий-вольфрамовых оксидов с частичной дезорганизацией кристаллической структуры, а также получена аморфная форма феррониобата — соединения железа и ниобия. В случае с литий-ионными батареями новая модификация анодного материала показала устойчивость к деградации даже после 1 000 циклов полной зарядки и разрядки, сохраняя значительную долю изначальной ёмкости. Для натрий-ионных аккумуляторов, которые считаются более экологичным и доступным решением, было создано принципиально новое анодное вещество, демонстрирующее стабильную работу в течение более чем 2 600 циклов без существенного падения характеристик.
Особое внимание заслуживает структура синтезированного феррониобата: в публикации в Advanced Materials впервые сообщается об использовании колумбитной модификации этого соединения в качестве высокоэффективного анода для хранения натрия. Присутствие ионов железа приводит к разрушению дальнего порядка за счёт локальных искажений структуры октаэдров FeO₆. Это, в свою очередь, инициирует переход материала в аморфное состояние, способное на обратимое накопление ионов натрия.
Параллельно в слоях NbO₆ формируются короткодиапазонные зигзагообразные цепочки, которые создают прочный «каркас», способный стабилизировать структуру и предоставлять многочисленные активные центры для псевдоёмкостного накопления ионов. Такая архитектура также улучшает транспортные свойства, обеспечивая более быстрые и эффективные пути диффузии.
Комбинированное применение аморфных анодов на основе феррониобата для натриевых аккумуляторов и структурно дезорганизованных анодов для литиевых систем открывает перспективы для создания аккумуляторов с ультрабыстрой зарядкой . Это может быть особенно актуально в сфере электромобилей нового поколения, стационарных накопителей энергии для возобновляемых источников , а также в области создания безопасных и долговечных альтернатив существующим аккумуляторным технологиям.
Исследователи подчеркивают: переход от концепции структурного порядка к рационально введённому беспорядку может радикально изменить стратегию разработки материалов в целом, задавая новые ориентиры в проектировании энергоёмких и надёжных аккумуляторных систем будущего .