Как физические эффекты помогают реанимировать химические источники энергии?

В современном мире поиск альтернатив литий-ионным аккумуляторам становится критически важным из-за ограниченных ресурсов лития и его высокой стоимости. Натриевые батареи (AFSBs) выглядят перспективной заменой, однако они имеют существенный недостаток – быструю деградацию из-за образования так называемого "мертвого" натрия. Это металлические частицы, которые теряют электрический контакт с электродом из-за неравномерного осаждения или растворения металла во время работы. Накопление такого "балласта" истощает запас активного металла и повышает внутреннее сопротивление батареи, что ведет к быстрому выходу из строя. В новом исследовании, которое появилось 5 мая в журнале Nature Communications, ученые предлагают выход из этой проблемы.

Смотрите также Революционная солнечная панель производит энергию как от солнечного света, так и от дождя

Группа ученых под руководством Хуа Ванга из Бейханского университета предложила революционную стратегию зарядки со вставками обратных импульсов (RPIC – reverse-pulse-interspersed charging). Суть метода заключается в том, что во время обычного процесса зарядки в протокол добавляются короткие импульсы обратного тока. Это позволяет активировать физическое явление, известное как положительный диэлектрофорез.

Согласно выводам исследования, в неоднородном электрическом поле частицы мертвого натрия, которые имеют более высокую комплексную диэлектрическую проницаемость, чем окружающий электролит, испытывают действие силы, толкающей их к областям с более высокой плотностью поля – то есть обратно к отрицательному электроду. Как только "мертвый" металл касается активного слоя на аноде, он снова включается в электрическую цепь и становится функциональным.

Какова эффективность метода?

Экспериментальные данные подтверждают эффективность этого подхода:

  • Использование стратегии RPIC позволило удвоить срок службы натриевых элементов питания. Например, лабораторные ячейки типа Al||NFPP сохранили 80% емкости после 418 циклов, тогда как при стандартном методе зарядки этот показатель был достигнут только за 215 циклов при одинаковой скорости зарядки.
  • Еще более впечатляющие результаты продемонстрировали полноразмерные аккумуляторы емкостью на уровне ампер-часов: они сохранили 80% емкости после 830 циклов и 74,6% после 1000 циклов при высокой скорости зарядки.

Кроме непосредственной реактивации металла, технология RPIC решает еще несколько критических проблем:

  • Уменьшение концентрационной поляризации. Обратный импульс выравнивает распределение ионов натрия в электролите, предотвращая образование зон дефицита.
  • Угнетение дендритов. Стратегия способствует формированию гладкой и однородной поверхности металла, что минимизирует риск короткого замыкания из-за острых металлических наростов.
  • Улучшение кинетики электродов. Благодаря меньшему накоплению мертвого металла внутреннее сопротивление батареи остается низким в течение длительного времени.

Реактивация неактивного щелочного металла является эффективной стратегией для продления срока службы батарей на основе щелочных металлов. До сих пор соответствующие исследования сосредотачивались преимущественно на литиевых батареях, однако реактивация неактивного натрия остается загадкой,
– прокомментировали авторы исследования, которое возглавляет Вейхао Ван.

Метод можно применить и к другим типам батарей

Ученые также проверили универсальность своей разработки. Оказалось, что метод RPIC эффективен не только для натриевых, но и для литиевых и калиевых безматричных (anode-free) батарей. Это открывает путь к созданию сверхмощных накопителей энергии с высокой удельной энергией.

В частности, в исследовании была продемонстрирована работа натриевого аккумулятора с показателем 180 ватт-часов на килограмм, что имеет длительный срок эксплуатации и подходит для практического применения в электротранспорте или системах хранения возобновляемой энергии.

Есть минусы

Несмотря на то, что внедрение обратных импульсов приводит к незначительному снижению энергоэффективности (примерно на 16% из-за затрат на сам импульс), разработчики отмечают, что это полностью компенсируется радикальным удлинением жизни устройства.

Таким образом, стратегия RPIC становится практическим инструментом для перехода к стабильным и высокопроизводительным щелочным металлическим батареям будущего.

Вам будет интересно узнать: какие новейшие разработки в сфере аккумуляторов сейчас готовятся к внедрению?

Твердотельные аккумуляторы

Это, пожалуй, самое громкое направление прямо сейчас, пишет Electrek. Китайская компания Greater Bay Technology уже запустила с конвейера первые прототипные образцы полностью твердотельных аккумуляторных элементов, и они успешно прошли тесты на прокол иглой, выдавливания и термический удар – без воспламенения или взрыва. Объявленная плотность энергии составляет 260 – 500 ватт-часов на килограмм, что заметно превышает показатели традиционных жидких литий-ионных батарей, а зарядка происходит в быстром режиме. Компания ориентируется на массовое производство гигаваттного масштаба в конце 2026 года, а дебют первых образцов продукции планируется в премиальных моделях автомобилей GAC Hyptec.

В общем, гонка за твердотельными батареями сейчас превратилась в настоящий глобальный марафон, считает To7Motors. Toyota стремится достичь плотности 450 – 500 ватт-часов на килограмм в мелкосерийном производстве между 2027 и 2028 годами, Samsung SDI обещает зарядку до 80% за 9 минут до 2027 года, а Dongfeng планирует массовое производство на уровне 350 ватт-часов на килограмм уже в конце 2026 года.

Также Китай анонсировал запуск собственного стандарта для твердотельных батарей в июле 2026 года.

Новые прорывы в традиционных литий-ионных батареях

Даже "старая" технология не стоит на месте. Исследователи Оксфорда в феврале 2026 года нашли способ сделать литий-ионные батареи такими, что заряжаются быстрее и служат дольше. Все благодаря маркировке полимерных связующих, что позволяет точнее визуализировать и понять деградацию ячеек батарей.

Кроме того, ученые сделали прорыв в бромиевых проточных батареях, найдя способ химически удерживать коррозионный бром, что ранее было одним из главных барьеров для длительного и доступного хранения энергии, отмечает ScienceDaily.

Ультрабыстрая зарядка

Отдельно стоит отметить прогресс в самой скорости зарядки. Технология сверхбыстрой зарядки стремительно переосмысливает возможности электромобилей и смартфонов, сокращая время от часов до минут, сообщает CALSTART. На CES 2026 финская компания Donut Lab Donut Lab представила твердотельную батарею, способную зарядиться за 5 минут, и уже заявила о ее применении в реальных мотоциклах Verge в первом квартале 2026 года.