При разработке систем хранения энергии инженерам приходится идти на компромисс между емкостью и мощностью. Толстые электроды способны хранить больше энергии, однако они ухудшают движение ионов внутри батареи, из-за чего зарядка становится медленнее, а часть материала фактически не используется. Такие области ученые называют «мертвыми зонами».

Чтобы решить эту проблему, команда LLNL сосредоточилась не на химическом составе батарей, а на геометрии электродов. Исследователи разработали взаимосвязанную трехмерную архитектуру, которая обеспечивает ионам короткие и доступные пути по всей структуре электрода. Такая конструкция помогает одновременно повысить емкость и сохранить высокую производительность устройства.

Для создания электродов использовались вычислительная оптимизация и многокомпонентная 3D-печать. Ученые изготовили электроды толщиной до 4 мм с геометрией «переплетающихся пальцев». Сначала печаталась пористая основа из оксида графена, улучшающая транспорт ионов, а затем наносился тонкий слой золота для повышения электропроводности. Компьютерные модели помогли подобрать форму, которая максимально эффективно распределяет потоки ионов и электронов.

В ходе испытаний новые электроды превзошли как традиционные двумерные конструкции, так и предыдущие 3D-печатные версии. Они показали более высокую емкость хранения энергии, меньшее сопротивление и стабильную работу более чем на 7500 циклах зарядки и разрядки. При этом скорость зарядки осталась высокой.

Исследователи считают, что новая архитектура может стать основой для следующего поколения литий-ионных батарей. В дальнейшем команда планирует масштабировать технологию для электромобилей, бытовой электроники и систем хранения энергии для возобновляемых источников.