Эти улучшения беспрецедентны в разработке батарей, где корректировка состава обычно приводит к улучшению характеристик на 5–10%. Увеличение срока службы батарей электромобилей не только снизит количество отходов, попадающих на свалки или в пункты переработки, но и уменьшит экологическое давление, связанное с добычей никеля и кобальта.
Однако давление должно быть оптимальным: если оно слишком высокое или слишком низкое, батареи выйдут из строя. Исследователи создали специальное устройство для поддержания давления в батарее в этом «идеальном» диапазоне, не прибегая к каким-либо специализированным химическим процессам. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Energy.
В своей простейшей форме литий-ионные батареи состоят из анода, катода и электролита. В ходе каждого цикла зарядки и разрядки батареи ионы лития перемещаются от анода к катоду и обратно. Это приводит к физическому расширению и сжатию батареи, почти как если бы она дышала.
«Батарейки, как правило, не любят этот цикл зарядки и разрядки», — сказал профессор Майкл Де Вольдер из инженерного факультета Кембриджского университета, один из руководителей исследования. «Большая часть работы по улучшению литий-ионных батарей выполняется химиками и физиками, но, будучи инженером-механиком, я также хотел изучить роль механики».
Для этого Де Вольдер и его коллеги создали устройство, которое сжимает тип батареи, известный как «мешок», с помощью пневматических «сильфонов» — крошечных наполненных воздухом подушек, которые действуют как саморегулирующийся зажим. Сильфоны поддерживают постоянное давление, в то время как датчик отслеживает мельчайшие изменения объема по мере зарядки и разрядки батареи.
«Мы просто купили коммерческие батареи и протестировали срок их службы при различном давлении», — объяснил Де Вольдер. «Нам не пришлось ничего менять в составе электролита или электродов».
Они обнаружили, что давление сильфонов должно находиться в «оптимальном» диапазоне: около 12,5 бар, что примерно в четыре раза превышает стандартное давление обычных кнопочных элементов. Вне этого диапазона батареи выходят из строя быстрее. Если давление слишком высокое, это может привести к образованию литиевых пластин на аноде, а если слишком низкое — к растрескиванию катода.
«Мы обнаружили, что при поддержании относительно постоянного давления на протяжении каждого цикла зарядки и разрядки общий срок службы батареи значительно увеличивается», — объяснил Де Вольдер. «Если давление слишком высокое, это негативно сказывается на аноде. Если давление недостаточно высокое, катод начинает деградировать. Наши эксперименты определили «оптимальный диапазон» давления для батарей».
Результаты, хотя и находятся на ранней стадии, могут иметь важное значение для быстрорастущего рынка электромобилей, особенно для рынка подержанных автомобилей. «Чем дольше служит продукт, тем меньше раз потребуется переработка материалов», — сказал Де Вольдер. «А в настоящее время мы очень плохо справляемся с переработкой батарей».
Кроме того, более долговечные батареи для электромобилей могут сократить объем сырья, которое необходимо добывать — часто в крайне неблагоприятных условиях — для производства новых батарей. «Мы разработали решение для более экологичных электромобилей, но нам нужно убедиться, что взамен мы не вызовем новых экологических катастроф в других частях мира», — сказал Де Вольдер. «Если бы мы смогли немного снизить нагрузку на эти горнодобывающие предприятия, это стало бы еще одним важным преимуществом».
Технология была протестирована в лабораторных условиях, но ее необходимо масштабировать для коммерческого применения в аккумуляторных батареях. Cambridge Enterprise, инновационное подразделение университета, подало заявку на патент.
Исследование частично финансировалось Европейским исследовательским советом, Институтом Фарадея и Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC), который является частью UK Research and Innovation (UKRI). Майкл Де Вольдер — научный сотрудник колледжа Сент-Джонс в Кембридже.
Ссылка:
Heng Wang, Rui Wang et al. The interaction between cell pressure, mechanical expansion, and degradation pathways in NMC-graphite lithium-ion batteries. Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02087-6
