Литий-ионные батареи, являясь энергетической основой современного общества, поддерживают огромный спрос на различные устройства — от смартфонов до электромобилей, от интеллектуальных энергосетей до глубокого космического исследования. Однако с момента их коммерциализации в 1990 году литиевые батареи сталкиваются с фундаментальным противоречием: предварительно запасенные литий-ионы в катодном материале служат как носители энергии, так и "песочные часы" срока службы. С увеличением количества циклов зарядки-разрядки литий-ионы постепенно истощаются из-за побочных реакций, и даже если материалы электродов остаются неповрежденными, батарея выходит из строя из-за "истощения лития". Этот врожденный недостаток приводит к тому, что средний срок службы батарей для электромобилей составляет всего 6-8 лет, а системы хранения энергии для сетей сталкиваются с огромными затратами на замену. Ежегодно в мире образуется 500 тысяч тонн отработанных батарей, что становится экологической проблемой.
13 февраля 2025 года команда академика Пэн Хуэйшэна и исследователя Гао Юэ из факультета макромолекулярной науки Университета Фудань опубликовала революционные результаты в ведущем научном журнале Nature, представив технологию "внешнего литиевого снабжения". Эта технология предполагает введение нового органического литиевого соли в батарею для точного восполнения литий-ионов, что позволяет коммерческим литиевым батареям превысить 11 818 циклов зарядки-разрядки (с сохранением 96% емкости), увеличивая срок службы литиевых батарей на 1-2 порядка величины.
Команда предложила теорию, которая нарушает фундаментальный принцип проектирования батарей, согласно которому литий-ионы зависят от сосуществования с катодными материалами. Благодаря сочетанию искусственного интеллекта и органической электрохимии, они разработали инновационные молекулы-носители лития, разделяя активные носители заряда батареи и материалы электродов.
В основе этого прорыва лежит соединение под названием трифторметансульфонат лития (CF3SO2Li), которое может стать "эликсиром жизни" для литиевых батарей. Конкретно, исследовательская группа Фудань с помощью высокопроизводительного скрининга на основе ИИ выбрала идеальную молекулу — CF3SO2Li — из виртуальной библиотеки из 3 миллионов соединений. Этот белый порошкообразный соединение обладает тремя ключевыми характеристиками:
Точное разложение: Оно необратимо окисляется в диапазоне напряжения зарядки 2.8-4.3 В, выделяя литий-ионы и разлагаясь на газы, такие как SO и CHF, которые выводятся через систему вентиляции батареи, достигая "нулевого остатка".
Универсальная совместимость: Оно растворимо в обычных электролитах и полностью совместимо с графитом, кремний-углеродными анодами и различными катодными материалами.
Промышленная пригодность: Оно стабильно на воздухе, имеет стоимость синтеза ниже, чем у традиционных добавок к электролитам, и составляет менее 10% от общей стоимости батареи.
С ключевым материалом на руках, следующим шагом является "инъекция", процесс, который омолаживает стареющие литиевые батареи через внешнее восполнение. Этот процесс можно разделить на четыре этапа:
Приготовление раствора: Растворение CF3SO2Li в электролите с концентрацией до 12,5%.
Инъекция: Введение смешанного раствора в неактивированную "сухую батарею" через предустановленный канал.
Активация: Во время зарядки литиевая соль разлагается на аноде, выделяя литий-ионы, которые внедряются в отрицательный электрод.
Очистка: Разложенные газы выводятся через процесс герметизации, и батарея готова к циклическому использованию.
Весь процесс не требует разборки батареи, и существующие производственные линии нуждаются только в добавлении этапа инъекции, что делает порог промышленного внедрения крайне низким.
Используя эту технологию, батареи демонстрируют состояние, близкое к заводскому (96% емкости), даже после десятков тысяч циклов зарядки-разрядки. Срок службы увеличился с текущих 500-2000 циклов до более чем 12 000-60 000 циклов, что является первым в мире. Кроме того, ограничение, согласно которому материалы батареи должны содержать литий, было нарушено, что открывает путь для создания батарей с использованием экологически чистых материалов, не содержащих тяжелых металлов.
Функциональная органическая молекула CF3SO2Li восполняет литий-ионы в батарее.
Согласно Университету Фудань, молекула-носитель лития прошла первоначальные экспериментальные испытания и, как ожидается, составит менее 10% от общей стоимости батареи, демонстрируя значительный потенциал для крупномасштабного коммерческого использования в таких областях, как восполнение лития, хранение энергии и интегрированные фотоэлектрические системы. Команда в настоящее время работает над массовым производством молекул-носителей лития и сотрудничает с ведущими международными производителями батарей, чтобы превратить технологию в продукты, поддерживая лидерство страны в области новых источников энергии.
"Если в будущем мы сможем ремонтировать батареи с помощью 'инъекций', позволяя их повторное использование, мы сможем решить проблему массового выхода батарей из строя на корню, направив отрасль к интеллектуальности и экологической устойчивости", — заявила команда. Они надеются, что это достижение скоро найдет применение, предоставляя ключевую технологическую поддержку для устойчивого экономического развития и защиты окружающей среды.
Лорем ипсум долор сит консектетур адипискинг элит Маценас ин пулвинар Нулла финибус лобортис пулвинар.
