Но как скоро? То, как быстро наше общество сможет максимально использовать преимущества электрификации, зависит от поиска более дешевых и высокопроизводительных аккумуляторов - реальность, которая становится все ближе благодаря новым исследованиям Virginia Tech.

Команда химиков во главе с Фенгом Лином и Луисом Мэдсеном нашла способ заглянуть в интерфейсы батареи, которые представляют собой узкие, хитроумные места, расположенные глубоко внутри элемента. Результаты исследования были опубликованы 1 апреля в журнале Nature Nanotechnology.

"На стыках существуют серьезные, давние проблемы", - сказал Юнгки Мин, аспирант химического факультета и первый автор исследования. "Мы всегда пытаемся получить лучший контроль над этими заглубленными поверхностями".

Открытие членом команды нового метода визуализации, который позволил им заглянуть внутрь работающей батареи, произошло случайно. Первоначально они рассматривали новую рецептуру электролитического материала.

Лучшее тесто для батареек

Электролит, расположенный между отрицательным и положительным электродами, является наполнителем, который переносит заряженные частицы, называемые ионами, взад и вперед для зарядки и разрядки аккумулятора.

Электролиты имеют множество возможных комбинаций компонентов, включая соли, растворители и добавки. Они могут быть жидкими, твердыми, гелеобразными или даже многофазными, что означает, что материал может переходить от жесткого к гибкому в зависимости от условий.

Но какой материал лучше всего использовать для выполнения важнейшей задачи транспортировки шихты?

Это один из важнейших вопросов в науке прямо сейчас, и это ключ к разработке высокоэнергетических аккумуляторов с более длительным сроком службы, которые могут быть стабильны при экстремальных температурах - все это важные качества для следующего поколения электромобилей, электроприборов и других технологий, работающих на батарейках, таких как искусственный интеллект.

Куда уходит энергия, чтобы исчезнуть

Чтобы ответить на этот вопрос, Лин и Мэдсен изучили так называемый многофазный полимерный электролит, который потенциально позволяет накапливать больше энергии в батарее того же размера, а также является более безопасным и дешевым, чем обычные аккумуляторы.

Лаборатория Мэдсена обнаружила многофазный электролит, называемый молекулярно-ионным композитом, в 2015 году. Исследовательские группы Мэдсена и Лина совместно работали над созданием литиевых и натриевых аккумуляторов на основе этого состава, и они постоянно совершенствовались.

Но есть несколько предостережений: батареи поражены странными наростами и бесполезным поведением, которые возникают там, где электролит и электроды соединяются в этом Бермудском треугольнике батарей - интерфейсах.

Понимание интерфейсов

Чтобы получить представление о том, что вызывало странное поведение интерфейса, Мин за последние несколько лет совершила множество поездок в Брукхейвенскую национальную лабораторию.

Линия рентгеновских лучей tender energy от Brookhaven широко используется для анализа таких объектов, как метеориты и грибы. Но никто никогда не использовал его для изучения полимерных электролитов.

То, что обнаружили исследователи, в сочетании с результатами других методов визуализации, позволило затем точно определить источник проблем: часть системы архитектурной поддержки деградировала по мере разряда батареи, что привело в конечном итоге к отказу.

Но это больше, чем просто диагноз.

С этого момента исследователи могут использовать этот метод, чтобы, наконец, увидеть как сложную структуру, так и химические реакции скрытых границ раздела.

"Это было замечательное сотрудничество между многочисленными исследовательскими лабораториями по всей стране", - сказал Лин, который является научным сотрудником Лео и Мелвы Харрис. "Теперь у нас есть хорошая механистическая картина, которая поможет нам лучше спроектировать интерфейсы и межфазные промежутки в твердополимерных батареях".