Новый электрод для EV-батарей увеличивает мощность на 75% без потери запаса хода

Учёные из Южной Кореи представили разработку, способную существенно повлиять на будущее электротранспорта. Команда исследователей из Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) создала усовершенствованный толстый электрод для литий-ионных аккумуляторов, который обеспечивает значительно более высокую выходную мощность без снижения энергоёмкости.

Проект возглавил профессор Кён Мин Чон, и его работа направлена на решение одной из ключевых проблем аккумуляторных технологий — компромисса между дальностью хода и мощностью.

Проблема: запас хода против мощности

Для увеличения запаса хода электромобилей производители стремятся повысить количество активного материала в батареях. Это приводит к использованию более толстых электродов, которые способны накапливать больше энергии. Однако у такого подхода есть серьёзный недостаток — снижение мощности.

Чем толще электрод, тем сложнее и дольше ионам лития перемещаться внутри его структуры. В результате ухудшается отдача энергии при высоких нагрузках, таких как резкое ускорение или движение в гору.

Исследователи UNIST сосредоточились именно на этой проблеме. Их цель заключалась в том, чтобы сохранить высокую энергоёмкость толстых электродов, но при этом восстановить и даже увеличить мощностные характеристики.

Инженерия пор: ключ к росту производительности

Прорыв стал возможен благодаря оптимизации внутренней пористой структуры электрода. Внутри толстого электрода существуют поры разного типа: крупные каналы между частицами активного материала и микропоры, формируемые связующими веществами и проводящими добавками. Последние образуют так называемую углеродно-связующую доменную структуру (CBD).

CBD необходима для переноса электронов, но при избыточной плотности она начинает препятствовать движению ионов лития. В толстых электродах этот эффект особенно выражен. Команда UNIST смогла точно отрегулировать распределение и соотношение пор, обеспечив быстрые ионные каналы без потери электронной проводимости.

Результат — значительный рост мощности. При плотности разряда 2C новый электрод показал выход 1,71 мА·ч/см² против 0,98 мА·ч/см² у традиционных решений, что означает прирост примерно на 75%.

Новая модель проектирования электродов

Для точной настройки структуры электрода исследователи разработали аналитическую модель Dual-Pore Transmission Line Model (DTLM). В отличие от классических подходов, она рассматривает перенос ионов по двум параллельным путям — через крупные поры и через микропоры CBD.

Такой подход позволяет напрямую связать электрическое сопротивление с физической структурой электрода. Модель даёт возможность точно оценивать влияние связующих материалов, агрегации частиц и состава смеси на эффективность переноса ионов. Это открывает путь к применению ИИ и физически обоснованных нейросетей в разработке аккумуляторов.

Значение для будущих электромобилей

По словам профессора Чона, результаты исследования актуальны не только для аккумуляторов с высоким содержанием никеля, но и для других перспективных химических составов, включая литий-железо-фосфатные (LFP) батареи.

Для электромобилей это означает возможность увеличения запаса хода без потери динамики. Батареи нового поколения смогут сохранять высокую мощность даже при увеличенной ёмкости, что делает электромобили более универсальными и эффективными.