Литий-металлическая батарея нового поколения: безопаснее и заряжается за 12 минут

Южнокорейские исследователи представили новую технологию литий-металлических аккумуляторов, которая может приблизить электромобили к сверхбыстрой зарядке и увеличенному запасу хода. Разработка направлена на устранение одного из ключевых барьеров коммерциализации таких батарей — нестабильности и риска коротких замыканий.

О прорыве объявил Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Исследование стало важным шагом в решении фундаментальной проблемы литий-металлических систем.

Почему литий-металлические батареи считались проблемными

Литий-металлические аккумуляторы рассматриваются как потенциальная альтернатива классическим литий-ионным решениям благодаря значительно более высокой плотности энергии. Это означает больший пробег при меньшей массе батареи.

Однако главная проблема проявляется во время зарядки. На поверхности лития образуются микроскопические игольчатые структуры — дендриты.

Они могут:

• прокалывать внутренние слои батареи;

• вызывать короткое замыкание;

• ускорять деградацию ёмкости;

• повышать риск возгорания.

Корень проблемы — так называемая межфазная нестабильность на границе электрода и электролита. При многократных циклах заряд-разряд поверхность становится неровной, что провоцирует неравномерное осаждение лития и ускоряет рост дендритов.

Даже при умеренных токах (около 4 мА/см²) обеспечить стабильное распределение лития крайне сложно. Для коммерческого использования в электромобилях необходимо было решить именно эту задачу.

«Умный» защитный слой: новый подход к безопасности

Исследовательская группа под руководством профессоров Нам-Сун Чхве и Сынбома Хонга из KAIST совместно с командой Korea University предложила решение на уровне электронной структуры.

В электролит был добавлен тиофен — органическое соединение, которое формирует на поверхности лития динамический защитный слой. В отличие от традиционных статичных покрытий, этот слой способен адаптироваться к процессу движения ионов.

По мере зарядки внутренняя структура слоя перераспределяет заряд, создавая устойчивые каналы для равномерного переноса лития. Такой механизм предотвращает локальное накопление металла и подавляет рост дендритов.

Компьютерное моделирование методом функционала плотности подтвердило значительно более высокую межфазную стабильность по сравнению с существующими коммерческими добавками.

Зарядка за 12 минут и устойчивость к высоким нагрузкам

Разработанная батарея продемонстрировала стабильную работу при плотности тока свыше 8 мА/см² — уровне, близком к условиям быстрой зарядки электромобилей.

Полная зарядка достигалась примерно за 12 минут.

Для наблюдения за процессом осаждения лития использовалась атомно-силовая микроскопия в реальном времени. Даже при высоких токах литий распределялся равномерно, без образования опасных структур.

Совместимость с существующими катодами

Важным преимуществом является совместимость технологии с распространёнными катодными материалами:

• литий-железо-фосфат (LFP);

• литий-кобальтовый оксид (LCO);

• никель-кобальт-марганцевые оксиды (NCM).

Это означает, что технология может быть интегрирована в действующие производственные цепочки без полной перестройки инфраструктуры.

Перспективы для рынка электромобилей

По словам руководителя проекта, разработка представляет собой не просто улучшение материала, а фундаментальное решение проблемы стабильности на уровне электронной архитектуры.

Если технология подтвердит эффективность в масштабном производстве, она может стать базовой платформой для аккумуляторов следующего поколения, сочетающих:

• сверхбыструю зарядку;

• увеличенный срок службы;

• повышенную безопасность;

• высокую плотность энергии.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале InfoMat.

Новая технология демонстрирует, что переход к более ёмким и безопасным батареям для электромобилей становится всё ближе к промышленной реализации.