Электрод в аккумуляторе состоит из двух основных частей: контактного и активного материалов. Контактный материал проводит электрический ток. Обычно это медная фольга для отрицательного электрода и алюминиевая — для положительного. Она не участвует в запасании энергии, а лишь обеспечивает передачу тока. Активный материал — это то, что накапливает и отдает ионы лития в процессе зарядки и разрядки аккумулятора. В литий-ионных батареях в отрицательных электродах чаще всего используют графит, а в положительных — неорганические соединения, содержащие литий. Эти материалы делают пористыми, чтобы жидкий электролит мог проникать внутрь и участвовать в процессе зарядки.

Хотя современные активные материалы способны накапливать много заряда, они плохо проводят ионы. Ионам приходится перемещаться через жидкий электролит внутрь активного материала. Поскольку каждый ион окружен молекулами электролита, он становится довольно большим и начинает вязнуть электролите. К тому же, и в самом активном материале ионы продвигаются с трудом. Это создает проблему для производителей аккумуляторов: либо делать толстые электроды для большей емкости, но тогда батареи будут медленно заряжаться и разряжаться, либо делать очень тонкие электроды, жертвуя емкостью ради быстрой зарядки и разрядки. Сегодня разработчики идут на компромисс, создавая электроды толщиной около десятой доли миллиметра — примерно с толщину человеческого волоса.

Ученые нашли способ создавать из меди электроды, которые как минимум в десять раз толще обычных, но при этом быстро заряжаются и разряжаются.

Они обнаружили, что на медной поверхности ионы лития теряют свою сольватную оболочку, оседают и образуют на границе с металлом двойной электрический слой (слой Гельмгольца). С помощью специально разработанной установки и расчетов исследователи выяснили, что ионы лития перемещаются через этот слой примерно в 56 раз быстрее, чем через электролит. Это означает, что металлические поверхности сильно ускоряют движение ионов лития.

Быстрое перемещение ионов металла по металлическим поверхностям наводит на мысль о создании внутри активного материала сети «металлических автострад» для ионов. Ученые так и поступили: они изготовили тончайшие (в несколько сотых миллиметра) металлические волокна и сформировали из них подобие ворса. Затем в этот металлический «ворс» внедрили активный материал.

Такой подход позволил вдвое сократить количество необходимой меди по сравнению с обычными фольговыми электродами.

Даже если электрод получается в десять раз толще, ионы лития все равно быстро попадают в активный материал и выходят из него через металлический «ворс». Этой скорости достаточно, например, для использования в электромобилях. В результате плотность энергии такого электрода, по сравнению с обычными фольговыми, может возрасти на 85%.

Новые электроды не только мощнее, но и дешевле в производстве. Вместо сложного нанесения слоев активного материала с растворителями его можно просто добавить в «ворс» в виде порошка. По словам авторов разработки, это удешевляет производство на 30-40% и требует на треть меньше места. Исследователи уже основали стартап для вывода этой аккумуляторной технологии на рынок.