Толстые электроды в батареях позволяют упаковать больше активного материала, а значит — увеличить запас энергии.

Но оказывается, ключевую роль играет не их структура, а химические свойства.

Группа ученых из Университета Райса под руководством специалиста по материалам Мин Тана доказала: даже если два электрода имеют почти одинаковую конструкцию, их внутренняя химия влияет на распределение энергии по-разному.

Это противоречит общепринятому мнению, что проблему неравномерной зарядки можно решить, просто изменив пористую структуру материала.

Толстые электроды хранят больше энергии — это продлевает работу телефона или пробег электромобиля, но они медленнее заряжаются и разряжаются, — объясняет Цзюань Ли, ведущий автор исследования. — Представьте, что вы пытаетесь равномерно пропитать водой толстую губку, но жидкость задерживается только у поверхности, а внутри остается сухо. Вот в чем проблема.

В статье, опубликованной в издании Advanced Materials, ученые сравнили два популярных материала для электродов: фосфат лития-железа (LFP) и оксид никеля-марганца-кобальта (NMC).

Оказалось, что NMC работает лучше, несмотря на схожую структуру.

LFP быстрее деградирует — в нем появляются трещины, а литий распределяется неравномерно, — говорит Ли. — Если бы дело было только в пористости, оба материала вели бы себя одинаково.

С помощью рентгеновской съемки в Брукхейвенской лаборатории исследователи проследили, как ионы лития движутся внутри электродов.

В LFP они скапливались у поверхности, почти не проникая вглубь, а в NMC распределялись равномерно.

Термодинамические свойства материала определяют, как идет реакция, — поясняет Тан. — Это открытие меняет подход к проектированию батарей и поможет улучшить эффективность толстых электродов.

Термодинамические свойства материала — это его способность поглощать, распределять и выделять энергию при реакции. Например, как быстро литий «растворяется» в электроде или нагревает его при зарядке.

Ученые разработали новый показатель — «коэффициент равномерности реакции», который учитывает и структуру, и химические свойства материала.

Батареи с неравномерным износом быстрее выходят из строя и теряют емкость, — говорит Тан. — Теперь у инженеров есть инструмент, чтобы выбирать оптимальные материалы и дизайн для толстых электродов.

Открытие поможет:

• Увеличить срок службы батарей — если литий распределяется равномерно, электроды меньше деформируются.
• Снизить стоимость — вместо дорогих методов структурирования можно подбирать материалы с подходящей термодинамикой.
• Ускорить зарядку толстых электродов без потери емкости, что критично для электромобилей.

Исследование проводилось только на двух материалах (LFP и NMC) в лабораторных условиях. В реальных батареях, где работают высокие токи и перепады температур, картина может отличаться. Также неясно, как поведет себя гибридный материал, сочетающий преимущества обоих типов.

Ранее ученые сообщили о разработке недорогих прозрачных электродов.