Звучит как что-то из фантастического мультика, но на самом деле цвиттерионы — это строительные блоки нового электролита, созданного группой учёных в Национальной лаборатории Ок-Ридж, США. Новый электролит предназначен для использования в твердотельных батареях и других технологиях.
Все известно, что жидкие электролиты долгое время были основной платформой для аккумуляторов. Далее начали появляться альтернативные электролиты, исключающие токсичные компоненты, снижающие вес аккумуляторов, и становящиеся все более пожаробезопасными.
Конечная цель – сочетание всех этих улучшений и повышение производительности аккумулятора. Замена жидкого электролита твердым материалом – один из способов достижения этой цели. Проблема в том, что достаточно сложно разработать твердый материал, который позволял бы ионам свободно перемещаться внутри него. Поэтому начинают появляться гелевые электролиты и гибридные архитектуры, но по-настоящему твердотельные батареи все еще находятся на стадии тестирования.
Высокотехнологичные пластмассы стали одним из направлений исследований, привлекательность которых заключается в их совместимости с доступными методами производства тонких пленок. Однако есть один нюанс. «Значительное повышение ионной проводимости в полимерах может быть достигнуто за счет увеличения полярности боковых цепей и их самоорганизации в определенные морфологические формы, — поясняет группа исследователей из ORNL. — однако более высокая полярность усиливает притяжение внутри полимерной матрицы и замедляет ее сегментарную динамику».
Распутывание этого клубка — тема нового исследования, опубликованного в журнале Materials Today под названием «Распутывание пути к суперионному перемещению в полимерных электролитах». Описание исследования также доступно под менее сложным названием «Новый электролит ORNL позволяет ионам течь», включая довольно образное описание роли цвиттерионов.
«Ключевым моментом стало регулирование структуры полимера путем добавления точного количества молекулярных групп, известных как цвиттерионы», — объясняет Оук-Ридж. Результатом всех этих исследований является полимерный «остов», поддерживающий активные зоны. «В этих зонах ионы взаимодействуют подобно собеседникам на званом ужине», — добавляет Оук-Ридж. Вот как она далее пытается пояснить свою идею: «Сначала образуются небольшие группки разрозненных гостей, разбросанных по всему материалу. Однако, если добавить больше очагов, группки теряют свою индивидуальность и превращаются в приятное единое общество, ведущее слаженную беседу. Именно тогда ионы начинают течь».
Задача заключалась в определении момента, когда приятная беседа перерастает в драку если в разговор вклинивается слишком много цвиттерионных групп. Команда пришла к выводу, что оптимальная формула — 80%. При таком соотношении очаги могут самоорганизовываться в эффективные каналы, не пересекаясь друг с другом.
«Исследователи из ORNL продемонстрировали, как полимерный материал может достичь аналогичного суперионного состояния, в котором ионы могут двигаться до 10 миллиардов раз быстрее, чем окружающая среда», — подчеркивают в лаборатории.
ORNL также отмечает, что твердотельные батареи являются наиболее очевидным применением нового электролита, но его также можно использовать в проточных батареях, топливных элементах и других системах. Пока не стоит слишком радоваться цвиттерионам. Первый этап проекта еще не завершен. «Исследовательская группа планирует развить эти многообещающие исследования, проведя дополнительные исследования фундаментальных механизмов, обеспечивающих суперионную природу полимера», — предупреждают в Ок-Ридже.
Тем временем, развитие твердотельных батарей продолжается быстрыми темпами. Одним из ярких примеров является финский стартап Donut Lab. В январе компания представила свою новую, готовую к серийному производству твердотельную батарею, которую она описала как «первую в мире твердотельную батарею, готовую к использованию в производстве автомобилей». Скептические настроения присутствуют, но Donut Lab начала еженедельно публиковать серию подтверждающих видеороликов и данных, доказывающих, что новая батарея может полностью зарядиться за пять минут и стоит как обычная литий-ионная батарея. «Элемент успешно заряжался при токе 5C более девяти минут. При такой мощности зарядки элемент достиг 80% заряда примерно за 9,5 минут и 100% заряда чуть более чем за 12 минут», — сообщила компания Donut Lab 23 февраля.
Несмотря на резкий разворот в федеральной энергетической политике, США также входят в число тех, кто продвигает разработку твердотельных батарей. Одним из примеров является калифорнийский стартап Quantumscape, который с 2010 года упорно работает над решением проблемы твердотельных батарей. В 2022 году Quantumscape заключил партнерство с подразделением PowerCo компании Volkswagen. В прошлом году компания привлекла к сотрудничеству ведущего производителя Corning с целью производства керамических твердотельных батарей.
На другом побережье находится стартап Factorial из Массачусетса. Еще в 2021 году компания привлекла внимание Mercedes-Benz и Stellantis к своей полутвердотельной батарее для электромобилей «FEST», а в прошлом году заявила о переходе на полностью твердотельные батареи в рамках нового сотрудничества с подразделением POSCO Future M корейской компании POSCO Group.
Компания Solid Power из Колорадо работает с BMW, которая стремится закрепить свои позиции в области твердотельных батарей. В февральском отчете для инвесторов Solid Power отметила тестовый автомобиль BMW i7, в котором использовалось ее твердотельное решение на основе сульфидов. Также ведется работа по созданию пилотной производственной линии совместно с компанией SK On.
