Изследователи от института „Макс Планк“ са разработили нов тип електрод за батерии, който използва изключително тънки метални власинки вместо традиционното метално фолио. Този контактен материал ускорява 56 пъти движението на литиевите йони, което дава възможност да се създадат електроди, десет пъти по-дебели от конвенционалните, без да се губи скоростта на зареждане. Това понижава производствените разходи, намалява потреблението на суровини и увеличава енергийната плътност на самите електроди с 85%, а на цялата батерия – с около 40%.

Електродът в една батерия се състои от две основни части: контактни и активни материали. Контактният материал провежда електрическия ток. Обикновено това е медно фолио за отрицателния електрод и алуминиево фолио за положителния електрод. Те не участват в съхранението на енергията, а само осигуряват преноса на тока. Активният материал е този, който съхранява и освобождава литиевите йони по време на процеса на зареждане и разреждане на батерията. В литиево-йонните батерии най-често се използва графит за отрицателните електроди и неорганични съединения, съдържащи литий, за положителните електроди. Тези материали са направени порести, за да може течният електролит да проникне и да участва в процеса на зареждане.

Въпреки че съвременните активни материали могат да съхраняват много заряд, те не провеждат добре йони. Йоните трябва да преминат през течния електролит вътре в активния материал. Тъй като всеки йон е заобиколен от молекулите на електролита, той става доста голям и придобива вискозитет в електролита. Освен това йоните трудно преминават през самия активен материал. Това създава проблем за производителите на батерии: или да направят дебели електроди за по-голям капацитет, но тогава батериите ще се зареждат и разреждат бавно, или да направят много тънки електроди, жертвайки капацитета за бързо зареждане и разреждане. Днес разработчиците правят компромис, като правят електроди с дебелина около една десета от милиметъра – дебелината на човешки косъм.

Учените са открили начин да създадат електроди от мед, които са поне десет пъти по-дебели от конвенционалните електроди, но въпреки това осигуряват бързо зареждане и разреждане.

Те открили, че върху медната повърхност литиевите йони губят своята солватна обвивка, утаяват се и образуват двоен електрически слой (слой на Хелмхолц) на границата с метала. С помощта на специално разработена инсталация и изчисления изследователите установяват, че литиевите йони се движат през този слой около 56 пъти по-бързо, отколкото през електролита. Това означава, че металните повърхности силно ускоряват движението на литиевите йони.

Бързото движение на металните йони през металните повърхности предполага създаването на мрежа от „метални магистрали“ за йоните в активния материал. Учените са направили точно това: изготвили са най-тънките (няколко стотни от милиметъра) метални влакна и са ги оформили като купчина. След това в тази метална „купчина“ вградили активен материал.

Този подход е намалил наполовина количеството на необходимата мед в сравнение с конвенционалните електроди от фолио.

Дори ако електродът е десет пъти по-дебел, литиевите йони все още бързо навлизат в активния материал и излизат през металната „купчина“. Тази скорост е достатъчна например за използване в смартфоните и електромобилите. В резултат на това енергийната плътност на този електрод, в сравнение с конвенционалните фолийни електроди, може да нарасне с 85%.

Новите електроди са не само по-мощни, но и по-евтини за производство. Вместо сложно нанасяне на слоеве от активен материал със съответните разтворители, той може просто да се добави към „купчината“ под формата на прах. Според авторите на разработката това прави производството с 30-40% по-евтино и изисква с една трета по-малко пространство. Изследователите вече са основали стартъп, който да пусне тази технология за батерии на пазара.