Разработан утолщённый электрод для аккумуляторов без потери мощности

Исследовательская группа Ульсанского национальнлого института науки и технологий, представила новую конструкцию утолщённого электрода для литий-ионных аккумуляторов, способную решить одну из ключевых инженерных проблем современной аккумуляторной техники: рост ёмкости традиционно сопровождается снижением мощности. Разработка может позволить электромобилям проезжать большее расстояние на одной зарядке без потери динамики и отклика.

Работу возглавил профессор Кен-Мин Чжон из Школы энергетической и химической инженерии UNIST. Учёным удалось оптимизировать внутреннюю поровую структуру утолщённых электродов, что привело к увеличению выходной мощности примерно на 75% по сравнению с традиционными решениями. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Energy Materials.

В сегменте электрического транспорта увеличение запаса хода остаётся одной из главных технологических задач. Один из очевидных подходов — увеличение количества активного материала в электроде за счёт его утолщения. Однако у такого решения есть серьёзный недостаток: при большей толщине ионы лития вынуждены проходить более длинный путь, а сложная внутренняя структура пор замедляет процессы заряда и разряда. В результате батарея становится более ёмкой, но менее «мощной».

Разработанный в UNIST электрод сохраняет высокую поверхностную ёмкость — около 10 мА·ч/см² — и одновременно демонстрирует заметно улучшенные силовые характеристики. При высокой скорости разряда (2C) стандартные утолщённые электроды обеспечивают около 0,98 мА·ч/см², тогда как новый дизайн достигает 1,71 мА·ч/см², что эквивалентно приросту примерно на 75% при кратковременной нагрузке.

Ключом к этому результату стало детальное изучение микроструктуры электрода. Учёные выделили два типа пор: крупные поры между частицами активного материала, по которым ионы лития относительно свободно перемещаются, и микроскопические поры, формируемые токопроводящими добавками и связующими веществами — так называемую область «углерод–связка» (carbon-binder domain, CBD). Именно эти микропоры, как показало исследование, могут существенно ограничивать ионный транспорт.

Для анализа этих процессов команда разработала новую расчётную модель — Dual-Pore Transmission Line Model (DTLM), которая описывает движение ионов как прохождение по двум параллельным каналам с разными характеристиками. Использование DTLM позволило скорректировать технологические параметры производства и соотношения материалов таким образом, чтобы внутренняя структура электрода обеспечивала более эффективный перенос зарядов.

Соавтор работы Бен-Чжин Чжон отметил, что количественный анализ микроструктуры открывает путь к применению продвинутых методов машинного обучения, включая физически информированные нейронные сети, даже в условиях ограниченного объёма экспериментальных данных. По словам профессора Чжонга, при переходе к более толстым электродам решающую роль играют не только химический состав, но и тонкая настройка внутренней архитектуры материала.

Авторы подчёркивают, что полученные результаты важны не только для высоконикелевых аккумуляторов, но и для других перспективных химических систем, включая литий-железо-фосфатные (LFP) батареи, где контроль микроструктуры также критически влияет на характеристики. Разработка может стать шагом к созданию более эффективных и устойчивых аккумуляторов для электротранспорта и систем хранения энергии нового поколения.