Исследователи из Стэнфордского университета объявили о потенциальном прорыве в технологии твердотельных аккумуляторов, сообщив, что наноразмерное серебряное покрытие может значительно укрепить керамическую основу этих аккумуляторов, устраняя серьезное препятствие для их широкого распространения. Твердотельные аккумуляторы, в которых легковоспламеняющийся жидкий электролит, используемый в современных литий-ионных аккумуляторах, заменен твердым материалом, обещают более высокую плотность энергии, более быструю зарядку и повышенную безопасность. Однако их преследует склонность к растрескиванию и выходу из строя с течением времени.

Исследовательская группа под руководством профессора Чаоян Чжао обнаружила, что нанесение атомно тонкого слоя серебра на керамический электролит помогает запечатать микроскопические дефекты и предотвратить распространение литиевых дендритов – пальцевидных выступов лития, которые могут вызывать короткие замыкания. Это серебряное покрытие, по сути, действует как защитный барьер, укрепляя структурную целостность аккумулятора.

"Серебро помогает более равномерно перераспределять ионы лития, предотвращая образование локализованных точек напряжения, которые приводят к растрескиванию", - объяснил Чжао. Результаты, опубликованные в журнале Advanced Materials, предлагают относительно простой и масштабируемый подход к преодолению одного из самых значительных препятствий в разработке твердотельных аккумуляторов.

Твердотельные аккумуляторы представляют собой потенциально преобразующую технологию для широкого спектра применений, включая электромобили, портативную электронику и системы хранения энергии в масштабах энергосистемы. Их более высокая плотность энергии может позволить электромобилям иметь больший запас хода, а повышенная безопасность может снизить риск возгорания аккумуляторов. Более быстрая зарядка, предлагаемая твердотельными аккумуляторами, также может сделать электромобили более удобными для потребителей.

В нынешнем поколении литий-ионных аккумуляторов используется жидкий электролит, который является легковоспламеняющимся и может со временем разрушаться, ограничивая срок службы аккумулятора. Твердотельные аккумуляторы исключают этот жидкий компонент, предлагая более безопасную и долговечную альтернативу. Однако хрупкость твердых электролитов представляет собой серьезную инженерную задачу.

Инновация стэнфордской команды решает эту проблему, используя уникальные свойства серебра в наномасштабе. Серебряное покрытие наносится с использованием процесса, называемого атомно-слоевым осаждением, который позволяет точно контролировать толщину и однородность покрытия.

"Эта наноразмерная обработка серебром меняет правила игры", - сказала доктор Эмили Картер, эксперт по материаловедению из Массачусетского технологического института, которая не принимала участия в исследовании. "Она предоставляет практическое решение проблемы растрескивания, которая годами сдерживала разработку твердотельных аккумуляторов".

В настоящее время исследователи работают над оптимизацией процесса нанесения серебряного покрытия и над тестированием долгосрочной работы твердотельных аккумуляторов, использующих эту технологию. Они также изучают возможность использования других металлов, таких как медь и алюминий, в качестве потенциальных альтернатив серебру.

Разработка твердотельных аккумуляторов тесно связана с достижениями в области искусственного интеллекта и материаловедения. Алгоритмы ИИ используются для анализа огромных наборов данных о свойствах материалов и для прогнозирования характеристик различных составов электролитов. Модели машинного обучения также используются для оптимизации конструкции твердотельных аккумуляторов и улучшения их производственных процессов.

Последствия этого прорыва выходят за рамки технологий. Широкое распространение твердотельных аккумуляторов может ускорить переход на электромобили, сократив выбросы парниковых газов и улучшив качество воздуха. Это также может позволить разработать новые решения для хранения энергии для возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, сделав их более надежными и доступными. Следующие шаги включают масштабирование производства этих твердотельных аккумуляторов с серебряным покрытием и проведение тщательных испытаний для обеспечения их долгосрочной надежности и производительности в реальных условиях.