Новая технология заставила твердотельные батареи работать при –30 °C

Твердотельные аккумуляторы давно считаются следующим шагом в развитии энергетических технологий. Они безопаснее, ёмче и способны заряжаться быстрее традиционных литий-ионных батарей. Но у этой технологии есть слабое место — чувствительность к перепадам температуры. Особенно плохо она переносит морозы и сильный нагрев, возникающий при ускоренной зарядке. Недавнее открытие китайских исследователей может стать ключом к устранению этого недостатка.

Прорыв, пришедший из Китая

Учёные из университетов Цинхуа и Тяньцзинь совместно провели серию экспериментов, направленных на защиту твердотельных аккумуляторов от экстремальных температур. Им удалось создать так называемую "гибкую броню" — инновационный защитный слой, который наносится на поверхность батареи и предотвращает замерзание её компонентов. Этот подход способен изменить представление о том, где и как можно использовать такие источники энергии.

"Мы искали способ сохранить проводимость и целостность аккумулятора даже при экстремальном охлаждении", — отметил профессор Чжан Вэй из Университета Цинхуа.

Секрет в гибкости и новом материале

До сих пор массовое производство твердотельных аккумуляторов сдерживалось из-за склонности материала к растрескиванию. При резком охлаждении или во время быстрой зарядки в электролите появлялись микротрещины, которые разрушали структуру и снижали эффективность. Проблема заключалась в природе стандартной прослойки SEI (solid electrolyte interphase) — она была твёрдой, но хрупкой. Под механическим давлением такой слой быстро ломался, мешая равномерному накоплению лития и сокращая срок службы батареи.

Чтобы устранить этот недостаток, китайские исследователи решили сделать обратное: не усиливать жёсткость, а придать слою эластичность. Они использовали соединения на основе серебра — Ag₂S и AgF. Эти материалы придают покрытию гибкость, позволяя ему слегка изгибаться без разрушения. Такая структура помогает поддерживать стабильность при деформации, обеспечивая свободное движение ионов лития даже при низких температурах.

Результаты испытаний

Испытания показали впечатляющие результаты. Аккумуляторы с новым покрытием проработали свыше 4500 часов при интенсивной эксплуатации. При этом при температуре -30 °C они оставались стабильными более 7000 часов. Для сравнения, стандартные образцы обычно выходят из строя уже через несколько сотен часов в аналогичных условиях.

"Гибкая прослойка показала себя как самовосстанавливающийся элемент системы", — добавил инженер-исследователь Лю Синь из Тяньцзиньского университета.

Таблица сравнения

Советы шаг за шагом: как работают твердотельные элементы

1. Выбор электролита. Используются твёрдые материалы — керамика, сульфиды, оксиды — которые обеспечивают безопасность, но требуют точной настройки.

2. Создание защитного слоя. Нанесение гибкой SEI помогает компенсировать механические напряжения.

3. Контроль температуры. Для стабильной работы требуется температурный диапазон от -30 до +80 °C.

4. Использование катодов нового поколения. Применяются материалы на основе лития, никеля и марганца, устойчивые к перепадам температуры.

5. Интеграция систем охлаждения. Даже гибкая броня не отменяет важность контроля тепла при зарядке.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: Уплотнение электролита до полной жёсткости.
  Последствие: Микротрещины при расширении.
  Альтернатива: Применение гибридных структур с Ag₂S и AgF.

• Ошибка: Отсутствие термоконтроля при зарядке.
  Последствие: Перегрев и потеря ёмкости.
  Альтернатива: Встроенные термодатчики и системы охлаждения.

• Ошибка: Использование старых литий-ионных протоколов зарядки.
  Последствие: Повреждение SEI.
  Альтернатива: Адаптивные алгоритмы зарядки для твердотельных элементов.

А что если…

Если такие аккумуляторы станут массовыми, можно будет отказаться от подогрева батарей в электромобилях и устройствах на севере. Гибкая броня позволит смартфонам, дронам и электрокарам работать без потери мощности даже при -40 °C. Это также откроет перспективы для хранения энергии в удалённых регионах, где морозы считаются нормой.

Плюсы и минусы

FAQ

Как выбрать твердотельный аккумулятор для устройства?
Следите за параметрами рабочей температуры и наличием гибкого защитного слоя. Это особенно важно для гаджетов, используемых на улице.

Сколько стоит новая технология?
Пока такие аккумуляторы дороже обычных примерно в 2-3 раза, но при массовом производстве цена снизится.

Что лучше: литий-ион или твердотельный элемент?
Твердотельные безопаснее и долговечнее, однако пока уступают по цене и доступности.

Мифы и правда

Миф: Твердотельные аккумуляторы не работают на морозе.
Правда: Новые гибкие покрытия позволяют сохранять эффективность даже при -30 °C.

Миф: Серебро делает аккумуляторы слишком дорогими.
Правда: Используются минимальные количества, не влияющие на итоговую цену при масштабировании.

Миф: Такие батареи нельзя заряжать быстро.
Правда: Гибкая SEI снижает нагрев, позволяя ускорить процесс без потери ресурса.

Три интересных факта

1. В отличие от литий-ионных батарей, твердотельные не содержат жидких электролитов, что делает их невоспламеняемыми.

2. Серебро, применяемое в новой SEI, также используется в солнечных панелях и медицинских антисептиках.

3. Разработчики планируют протестировать технологию на дронах и электрических велосипедах уже в ближайшие годы.

Исторический контекст

Первые прототипы твердотельных батарей появились ещё в 1970-х, но из-за высокой стоимости материалов и проблем с электролитами они не получили массового применения. В 2010-х интерес к ним возобновился благодаря электромобилям и портативной электронике. Теперь, с появлением гибких прослоек, технология может наконец перейти в промышленную стадию.