2000 циклов без деградации, в 10 млрд раз быстрее. Новый анод делает твёрдотельные батареи выносливее, чем когда-либо

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали подход, который может заметно ускорить развитие твёрдотельных аккумуляторов — энергоёмких и безопасных источников питания будущего. Исследователи выяснили, как изменить поведение металлических сплавов в анодах, чтобы литий двигался по ним быстрее и стабильнее, а сами батареи выдерживали тысячи циклов зарядки без деградации.

Работа выполнена в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийских университетов в Ирвайне и Санта-Барбары, а также инженерами компании LG Energy Solution. Команда сосредоточилась на литий-алюминиевых сплавах, которые рассматриваются как перспективные материалы для отрицательных электродов. Учёные исследовали, как ионы лития перемещаются внутри этих сплавов между двумя структурами — литий-насыщенной β-фазой и фазой, бедной литием (α-фазой).

Эти состояния можно представить как два разных ландшафта для ионов: в β-фазе они движутся свободно, почти без сопротивления, а в α-фазе сталкиваются с энергетическими барьерами и теряют подвижность. Именно это различие ограничивает скорость зарядки и влияет на долговечность аккумулятора.

Было решено проверить, можно ли управлять распределением фаз в сплаве, изменяя соотношение лития и алюминия. Оказалось, что при увеличении содержания лития материал всё чаще переходит в β-фазу, где атомы образуют плотную и устойчивую решётку с «ускоренными» каналами для переноса. В таких областях ионы двигались до 10 миллиардов раз быстрее, чем в обеднённой литием α-фазе. Это открытие стало ключевым: преобладание β-фазы не только увеличивало скорость переноса заряда, но и делало анод более плотным и стабильным, улучшая контакт с твёрдым электролитом.

Для проверки гипотезы инженеры изготовили образцы аккумуляторов с анодами, обогащёнными β-фазой, и протестировали их в лаборатории. Эти ячейки показали высокую скорость зарядки и разрядки и сохраняли ёмкость после 2000 циклов, что считается отличным результатом для твердотельных систем, которым обычно мешают структурные дефекты и потеря проводимости на границах электродов.

Авторы подчёркивают, что впервые удалось напрямую связать внутреннее распределение фаз в литий-алюминиевых сплавах с поведением лития при диффузии. Это открывает возможность точного проектирования анодов, где микроструктура задаётся не случайно, а целенаправленно, в зависимости от требуемого баланса между ёмкостью, стабильностью и скоростью переноса.

Ключ к этому успеху — в способе изготовления материала. Вместо традиционного метода Чохральского, при котором исходные компоненты расплавляют при температуре выше 2000 °C, а затем медленно охлаждают, команда использовала молекулярно-пучковую эпитаксию (MBE). Этот подход позволяет «собирать» кристалл послойно, атом за атомом, и точно контролировать распределение лития и алюминия в решётке.

В результате получились высококачественные редкоземельные кристаллы с минимальным количеством дефектов. Они обеспечили долгое время когерентности спина кубитов на уровне 10 миллисекунд и рекордно узкую оптическую линию шириной в килогерцы — показатели, которые раньше были недостижимы для подобных материалов.

Кроме того, исследователи добились однократного считывания состояния кубитов и когерентного микроволнового управления ими в интегрированном оптоволоконном модуле, что делает систему масштабируемой и совместимой с существующей телекоммуникационной инфраструктурой.

Эта технология приближает момент, когда твёрдотельные аккумуляторы смогут перейти от лабораторных прототипов к промышленному производству. Высокая плотность энергии, термостабильность и возможность быстрой зарядки делают их кандидатом №1 для электромобилей, смартфонов и накопителей энергии следующего поколения.