Дослідники з Корейського інституту науки та технологій (KAIST) та компанії LG Energy Solution заявили, що знайшли рішення для забезпечення швидкої зарядки акумуляторів електрокарів.

Наразі, коли проблему запасу ходу електроавтівок нарешті вирішено, ключовою перепоною для більш широкого впровадження електричного транспорту залишається час заряджання. У своєму дослідженні південнокорейські науковці зазначають, що знають, як прискорити час заряджання акумуляторів електрокарів.

Зокрема, науковці продемонстрували літій-металевий акумулятор, здатний зарядитись з 10% до 80% за приблизно 15 хвилин. Більшість автівок продовжує використовувати переважно Li-ion-батареї - надійні, відносно безпечні, однак близькі до межі власних можливостей.

Енергія в Li-ion-акумуляторах зберігається у графітовій структурі на аноді. Однак графітові аноди обмежують кількість енергії, яку може зберігати акумулятор. Натомість літій-металеві акумулятори представляють нове покоління. Анод в них складається з надтонкого шару чистого літію. Це значно збільшує потенційну щільність енергії в акумуляторі, дозволяючи електрокарам покривати більші відстані на одному заряді.

Однак занадто прискорене заряджання літій-металевих акумуляторів призводить до того, що літій утворює на аноді голчасті нарости - дендрити. Це реальна проблема для сучасних акумуляторів цього типу, оскільки збільшення розмірів дендритів може призвести до пошкодження бар'єру між позитивним та негативним полюсами в акумуляторі, викликавши коротке замикання, повну відмову або ж спалахування. Щонайменше, дендрити знижують ємність та термін служби акумулятора.

Довгий час науковці вважали швидке заряджання та довговічність літій-металевих акумуляторів несумісними. Команда південнокорейських дослідників під керівництвом професора Хі-Так Кіма визначила причину утворення дендритів, пов'язану із так званою нерівномірною міжфазною когезією металевого літію. Інтенсивний струм, який виникає під час швидкої зарядки, викликає комкання хімічних компонентів, створюючи неефективний екран.

Дослідники використали кріогенну електронну мікроскопію, що просвічує, та змогли безпосередньо побачити цей процес. Вони переконались, що швидка зарядка призводить до утворення розрізнених кристалічних областей розміром близько 5-8 нм.

Щоб запобігти цьому, науковці випробовували електроліти з різним складом. Зрештою вони зупинились на рідкому електроліті, що пригнічує утворення дендритів навіть за умов швидкої зарядки. При цьому найкращі результати продемонстрували відносно слабкі у хімічному сенсі електроліти, що не утворюють міцних зв'язків з аніонами літію.

За результатами випробувань, потужний акумулятор з найкращім електролітом зарядився від 5% до 70% усього за 12 хвилин і витримував понад 350 циклів зарядки-розрядки. Високоенергетична версія, розрахована на максимальний запас ходу з розрахунковою щільністю енергії 386 Вт·год/кг, досягла рівня заряду від 10% до 80% всього за 17 хвилин і витримувала 180 циклів.

"Це дослідження стало ключовою основою для подолання технічних проблем, пов'язаних із літій-металевими акумуляторами, завдяки розумінню структури міжфазного інтерфейсу. Воно подолало головну перешкоду на шляху впровадження літій-металевих акумуляторів для електромобілів", - пояснює професор кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії у KAIST Хі Так Кім.

Результати дослідження представлені у журналі Nature Energy.