Международная группа исследователей из Института Лауэ — Ланжевена впервые в реальном времени посмотрела, как ионы лития ходят внутри работающей твердотельной батареи во время зарядки и разрядки. Для этого использовали нейтронную дифракцию — редкий метод, который позволяет заглянуть внутрь элемента, не вскрывая его. И вот главный вывод оказался не слишком радостным: даже при медленной зарядке литий в электроде распределяется неровно.
Для отрасли это заметная новость. Твердотельные батареи давно считают одним из самых перспективных вариантов: у них выше плотность энергии, а с пожаробезопасностью дела, как ожидается, тоже лучше, чем у обычных литий-ионных ячеек с жидким электролитом. Поэтому в тему вкладываются Toyota, Samsung SDI и стартап QuantumScape, а рынок таких батарей, если верить оценкам отраслевых агентств, к началу 2030-х может дотянуться до десятков миллиардов долларов.
Для эксперимента команда собрала специальный лабораторный элемент: катод NMC622, сульфидный твердый электролит Li5.4PS4.4BrCl0.6 и анод на основе сплава лития и индия. Батарею сделали необычно толстой по меркам таких тестов — около 2,5 мм. Это нужно было, чтобы получить достаточно сильный нейтронный сигнал. Так и удалось увидеть, что в разных частях электрода одновременно появляются две структурные фазы, хотя в идеале литий должен был бы распределяться куда ровнее.
Исследователи связывают это с неравномерной плотностью тока в толстом электроде. Где-то литий накапливается быстрее, где-то отстает, и в итоге материал начинает работать по-разному в пределах одного объема. Когда температуру подняли до 100 °C, картина стала заметно спокойнее: проводимость твердого электролита выросла, а неоднородность почти сошла на нет.
При этом у самой структуры нового сульфидного электролита за полный цикл зарядки и разрядки почти ничего не поменялось. Для разработчиков это хороший знак: материал оказался стабильным, а для коммерческих батарей это один из тех моментов, на которых все и держится. На бумаге многие составы выглядят отлично, а в реальной работе начинают быстро сдавать.
И проблема тут вовсе не академическая. Твердотельные аккумуляторы уже несколько лет упираются не только в цену, но и в масштабирование, скорость зарядки и ресурс. Если наблюдения ILL подтвердятся на более практичных ячейках, разработчикам придется точнее подбирать толщину электродов, состав материалов и рабочие температуры. Пока именно на этом и спотыкаются сроки серийного запуска, который автопроизводители и батарейные компании обещают то к 2027-му, то ближе к концу десятилетия.