Для электрификации транспорта необходимы долговечные батареи, но современные литий-ионные варианты слишком тяжелые, дорогие и медленно заряжаются. Десятилетиями ученые пытаются найти подход к литий-металлическим батареям, которые аккумулируют значительно больше энергии в том же объеме, и заряжаются намного быстрее, чем литий-ионные.

Команда ученых из Гарварда разработала стабильные твердотельные батареи, заменив графит и медь в аноде на металлический литий. Отличные показатели емкости и плотности этого материала делают его очень привлекательным для многих отраслей промышленности, но стабильность таких элементов питания всегда была низкой. Причина в дендритах, кристаллических отростках, образующихся на поверхности анода и проникающих в электролит. Они снижают производительность батарей и часто вызывают короткое замыкание или пожар. Использование твердого электролита — один из способов решения этой проблемы.

Вдобавок, для защиты от дендритов ученые использовали слоистую структуру из материалов, обладающих разной стабильностью. Таким образом, между анодом и катодом помещаются слой графита, первый электролитный материал, второй, затем снова первый, как в сэндвиче. Небольшие вариации в химии двух электролитов не предотвращают формирования дендритов, но помогают контролировать и сдерживать этот процесс, пишет Science Daily.

Кроме того, батарея может регенерировать, заполняя созданные дендритами полости. В ходе испытаний батарея сохранила 82% емкости после 10 000 циклов заряда и разряда, и продемонстрировала плотность энергии, достаточную для того, чтобы зарядить электромобиль за 10-20 минут.

По словам разработчиков, испытания показали, что твердотельные литий-металлические батареи могут конкурировать с коммерческими литий-ионными. А гибкость и универсальность многослойной конструкции делает ее сравнимой с серийными образцами. Масштабировать технология для массового производства будет не просто, но ученые верят, что смогут их преодолеть.

Исследователям из MIT удалось найти решение ключевой проблемы твердотельных батарей — ускоренного появления дендритов. Оказалось, что они не образовываются, если в качестве электрода использовать в такой батарее полутвердый материал — одновременно и твердый, и текучий.