Батареи 70 лет топили в токсичных растворителях. Отказались, и ахнули: вот она — защита от деградации

Производство литий-ионных аккумуляторов давно упёрлось не только в химию, но и в технологию сборки. Исследователи из Инженерной школы молекулярной инженерии Университета Чикаго предложили сухой способ изготовления электродов, который, по их данным, делает батареи одновременно дешевле, экологичнее и устойчивее при работе на высоком напряжении.

Чтобы понять, в чём новизна, нужно разобраться, как обычно делают электрод для литий-ионной батареи. Активный материал, который хранит и отдаёт литий, смешивают с углеродной добавкой и полимерным связующим. Углерод нужен для проводимости: большинство активных материалов сами по себе проводят электричество плохо. Связующее выполняет роль «клея» — оно удерживает всё вместе и прикрепляет смесь к металлической фольге, которая служит токосъёмником.

В традиционном процессе эту смесь превращают в жидкую суспензию с использованием органических растворителей. Получается густая паста, её наносят на фольгу, затем высушивают и удаляют растворитель. Такой подход технологически отработан, но у него есть недостатки: токсичные растворители, энергозатратная сушка и ограничения по толщине слоя. Чем толще электрод, тем сложнее равномерно удалить растворитель и сохранить структуру без трещин и дефектов.

Сухая технология убирает стадию растворителя полностью. Компоненты смешиваются и формируются в твёрдый слой без перехода через жидкую фазу. Индустрия давно рассматривает такой метод как способ сократить стоимость и упростить производство. Однако команда из Чикаго обнаружила, что преимущества не ограничиваются экономикой и экологией.

Оказалось, что в сухом электроде иначе формируется внутренняя структура. Исследователи обратили внимание на взаимодействие двух компонентов, которые обычно рассматривают по отдельности: углеродной добавки и полимерного связующего. Принято считать, что углерод отвечает за проводимость, а связующее — только за механическую целостность. В новой работе показано, что в сухом процессе между ними возникает химическое и структурное взаимодействие, которое улучшает контакт частиц.

По словам авторов, в сухом электроде формируется более связная проводящая сеть. Это означает, что электроны проходят через материал с меньшим сопротивлением. В результате можно делать более толстые электроды без потери проводимости. Толщина напрямую связана с энергоёмкостью: чем больше активного материала в единице площади, тем больше энергии может хранить батарея.

Ещё один важный аспект касается работы при высоком напряжении. Повышение рабочего напряжения — один из путей увеличения энергетической плотности, то есть количества энергии на единицу массы или объёма. Но при высоком напряжении усиливаются побочные реакции. Особенно чувствителен к ним углерод, который химически более активен, чем связующее.

Исследователи обнаружили, что в сухом электроде связующее частично покрывает поверхность углеродных частиц. Связующее само по себе химически инертно. Когда оно образует оболочку вокруг углерода, реакционная способность последнего снижается. Это подавляет нежелательные побочные реакции при высоком напряжении. В результате батарея может проходить больше циклов заряд-разряд без заметной деградации.

Такой эффект стал неожиданностью для команды. Сухая обработка рассматривалась в первую очередь как способ упростить производство и убрать токсичные растворители. Однако выяснилось, что изменение технологии влияет и на микроструктуру электрода, а через неё — на электрохимические свойства.

Авторы подчёркивают - речь идёт не просто о модернизации производственной линии, а о пересмотре материаловедческого подхода. Если сухой метод позволяет одновременно удешевить выпуск, увеличить толщину электродов и повысить стабильность при высоком напряжении, это напрямую затрагивает проектирование аккумуляторов для электромобилей. Более толстые и устойчивые электроды означают потенциально большую энергоёмкость и более высокую эффективность.

Следующий шаг — оптимизация микроструктуры, чтобы ускорить транспорт ионов лития внутри электрода. Скорость перемещения ионов определяет, насколько быстро батарея может заряжаться. Если удастся совместить высокую стабильность при напряжении с быстрым переносом лития, это приблизит создание аккумуляторов с быстрой зарядкой и высокой плотностью энергии без увеличения стоимости и экологической нагрузки.