Литий-ионные аккумуляторы давно стали энергетическим «сердцем» современной техники — от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и систем накопления энергии (ESS). Однако у классической литий-ионной технологии есть уязвимое место: жидкий электролит. Он обеспечивает перенос ионов лития между электродами, но при механическом повреждении или перегреве может стать причиной возгорания или даже взрыва.
После серии резонансных пожаров электромобилей вопрос безопасности аккумуляторов вышел на первый план. Ответом на эти вызовы считаются твердотельные батареи — устройства, где вместо горючей жидкости используется негорючий твердый электролит. Такие аккумуляторы обещают не только повышенную безопасность, но и более высокую энергоемкость. Однако на пути к массовому внедрению есть серьезные научные и технологические препятствия.
Сложности аморфного электролита
Ключевым элементом твердотельной батареи является аморфный твердый электролит. В отличие от кристаллических материалов, где атомы выстроены в строгий порядок, аморфные вещества напоминают «замершую жидкость»: их структура хаотична и лишена регулярной решетки.
Именно эта неупорядоченность долгое время мешала ученым точно объяснить, как именно движутся ионы лития внутри материала. Улучшения характеристик — например, повышение ионной проводимости — чаще всего достигались эмпирически: меняли состав, варьировали степень прессования, подбирали плотность. Но четкого понимания, почему одни образцы работают в разы лучше других, не было.
Команда исследователей под руководством доктора Бёнчжу Ли из Корейского института науки и технологий (KIST) решила подойти к задаче иначе — с помощью атомных симуляций на базе искусственного интеллекта. Результаты опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.
Как работает технология
Используя высокоскоростное ИИ-моделирование, ученые проанализировали транспорт литиевых ионов в аморфных твердых электролитах и разложили его на два фактора:
- Легкость перехода иона от одного «узла» к другому
- Связность путей миграции — то есть наличие непрерывных маршрутов для движения
Оказалось, что решающим является именно первый параметр. Иными словами, важнее не столько количество возможных «дорог», сколько то, насколько легко ион может покинуть одну позицию и перейти в следующую.
Разница в подвижности лития влияла на проводимость почти пятикратно. В то же время различия в связности путей давали лишь двукратный эффект. Это впервые позволило количественно объяснить разброс характеристик, который ранее казался случайным следствием аморфной структуры.
Что ускоряет движение ионов?
Исследователи выявили конкретные структурные условия, способствующие высокой ионной проводимости.
Во-первых, оказалось, что литий перемещается быстрее в структурах, где он окружен четырьмя атомами серы. Чем выше доля таких локальных конфигураций, тем лучше проводимость.
Во-вторых, важную роль играет размер внутренних пустот — микроскопических «карманов», через которые мигрируют ионы. И вот здесь ученых ждал неожиданный результат.
Принято считать, что более рыхлая структура (то есть меньшая плотность) способствует лучшей проводимости. Однако моделирование показало: слишком большие пустоты, наоборот, замедляют движение лития и ухудшают характеристики. Оптимальная производительность достигается лишь в определенном диапазоне размеров.
Фактически это открытие опровергает устоявшееся представление о том, что «чем ниже плотность, тем выше проводимость».
Почему это важно для промышленности?
Полученные результаты можно напрямую использовать при проектировании и производстве твердых электролитов для твердотельных аккумуляторов. Причем без радикальной смены материала.
Достаточно тонко регулировать:
- соотношение компонентов электролита,
- условия прессования и формования,
- плотность структуры.
Таким образом можно повысить ионную проводимость, не вводя новые дорогостоящие вещества. Для промышленности это особенно важно: любые улучшения, не требующие изменения сырьевой базы, значительно упрощают масштабирование технологии.
Более того, предложенная методика анализа подходит и для других аморфных материалов. С ее помощью можно заранее отбирать перспективные составы, ускоряя разработку новых поколений твердых электролитов.
Шаг к коммерциализации твердотельных батарей
Безопасность и высокая энергоемкость — ключевые требования для электромобилей и систем накопления энергии. Именно здесь твердотельные аккумуляторы могут произвести настоящую революцию.
По словам доктора Бёнчжу Ли, работа имеет особое значение, поскольку впервые четко определяет факторы, управляющие эффективностью аморфных твердых электролитов. А значит, появляются конкретные инженерные критерии для системного улучшения характеристик.
Если раньше разработка таких материалов напоминала подбор ключа методом проб и ошибок, то теперь у инженеров появляется карта. И это может существенно приблизить момент, когда твердотельные батареи станут не лабораторной перспективой, а массовой технологией.
