Возможность упаковать в анод несколько слоев металла вместо одного резко увеличивает количество хранимой энергии. Источник: Freepik

Еще в 2018 году с помощью высокоточного электронного микроскопа исследователи впервые увидели не одноатомные, а многослойные структуры лития, встроенные между листами графена. Это опровергло долгое время доминировавшее в науке представление о принципах взаимодействия ионов с углеродными материалами. Как показали дальнейшие изыскания, аналогичные плотные «сэндвичи» можно создавать не только с литием, но и с более доступными натрием и калием, используя различные формы углерода от графена до неупорядоченного твердого углерода.

Главный прорыв, как следует из статьи ученых Сколтеха в журнале Small, заключается в новых характеристиках, которые сулят такие многослойные аноды. Во-первых, это значительный рост емкости. Теоретические расчеты демонстрируют, что графен с четырьмя слоями лития может обладать емкостью, втрое превышающей возможности лучших современных графитовых анодов. Во-вторых, это беспрецедентная скорость зарядки. Специально сконструированные наноканалы в углероде служат «скоростными магистралями» для ионов, что подтверждается тестами. Например, натрий-ионные аккумуляторы на основе твердого углерода сохраняют 83% емкости даже после 3000 циклов сверхбыстрой зарядки.

Многослойные структуры из щелочных металлов в углеродных материалах. Источник: Small

Не менее критичным преимуществом является безопасность будущих устройств. Технология решает проблему роста металлических дендритов, главную причину возгораний. Металл в новой архитектуре осаждается и растворяется внутри стабильного углеродного каркаса, а не на его поверхности, что физически исключает риск короткого замыкания. Ключ к управлению этим процессом лежит в инженерном дизайне самого углеродного носителя.

″Мы систематизировали доказательства того, что природа позволяет нам «упаковывать» ионы в углерод гораздо плотнее, чем считалось возможным. Ключ — в инженерном дизайне самого углеродного носителя, то есть в создании атомарных каналов в графите, контроле размера нанопор в твердом угле или введении открытых мезоканалов в углеродные сферы. Каждая такая архитектура направляет ионы по оптимальному пути, позволяя формировать стабильные многослойные структуры, которые и являются источником рекордных характеристик.″  - Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу Сколтеха.

На следующем этапе ученым необходимо научиться создавать уникальные материалы не только в лаборатории, но и в промышленных объемах с необходимыми показателями надежности и стоимости.