Более двух десятилетий литий-ионные батареи питают практически все вокруг нас. Они используются в смартфонах, ноутбуках, электромобилях, дронах и даже во многих медицинских приборах. За эти годы батареи значительно улучшились. Но они по-прежнему могут перегреваться, используют дорогостоящие материалы, такие как кобальт, и их становится все сложнее усовершенствовать. Вместо разработки совершенно новой батареи исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) сосредоточились на той, которую мы уже используем. Их идея заключается в перепроектировании ее внутренней структуры с помощью 3D-печати. ​​И работа команды сосредоточена на одном из важнейших компонентов батареи: катоде.

Другой способ создания батареи

Большинство современных литий-ионных батарей имеют плоские слоистые электроды. Эта конструкция хорошо зарекомендовала себя за долгие годы, поскольку её довольно легко изготовить. Но команда из Калифорнийского технологического института делает всё по-другому. Вместо плоского катода они разработали и напечатали на 3D-принтере катод с крошечной, тщательно спроектированной структурой. Таким образом, вместо перемещения через плоский слой, ионы лития могут перемещаться через более сложную трёхмерную сеть. Исследователи утверждают, что это может помочь батарее более эффективно накапливать и передавать энергию.

Это важно, потому что каждый раз при зарядке или разрядке батареи ионы лития должны перемещаться между электродами. Если это перемещение будет короче и плавнее, батарея сможет работать лучше.

«Если создать батарею с трехмерной архитектурой вместо плоской, то каждый ион лития будет иметь доступ к активной поверхности во время своего перемещения через электролит», — говорит Джулия Грир , профессор материаловедения, механики и медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте, чья лаборатория работает над улучшением литий-ионных батарей.

Джулия Грир, профессор материаловедения, механики и медицинской инженерии имени Рубена Ф. и Донны Меттлер и исполнительный директор по прикладной физике и материаловедению в Калифорнийском технологическом институте. Изображение предоставлено пресс-службой факультета прикладных наук/Калтех.

По словам исследователей, эти дополнительные поверхности предоставляют ионам больше возможностей для движения, что помогает батарее передавать энергию более эффективно, чем при использовании традиционной плоской конструкции.

Результаты исследования были опубликованы в статье «Взаимосвязь структуры и переноса в микроархитектурных электродах литий-ионных батарей на основе LiFePO4 и углерода» в журнале ACS Energy Letters . Работа была поддержана Агентством перспективных оборонных исследований (DARPA), Лабораторией реактивного движения НАСА ( через Фонд исследований и разработок президента и директора) и Калифорнийским технологическим институтом (Caltech).

Прощай, кобальт!

Одно из самых значительных изменений касается материала. В новом компоненте батареи не используется кобальт — металл, который входит в состав многих современных литий-ионных батарей. Кобальт дорог, его запасы ограничены, а добыча вызывает опасения по поводу состояния окружающей среды и прав человека. Компании, производящие батареи, годами пытались сократить или заменить его, и это исследование может помочь в этом.

Команда также изменила способ изготовления этого компонента батареи. Вместо традиционного производства они использовали метод 3D-печати, называемый процессом аддитивного производства с использованием гидрогелевой инфузии (HIAM) , разработанный в лаборатории Грира Калифорнийского технологического института. Здесь HIAM использовался для создания небольшой, очень детализированной структуры. Создание аналогичной конструкции с помощью традиционных методов производства было бы чрезвычайно сложным.

Таким образом, вместо изобретения нового материала для батареи исследователи нашли новый способ придать форму существующему материалу с помощью 3D-печати. ​​Изменение формы компонента меняет принцип работы батареи. Новая 3D-конструкция дает ионам лития больше пространства для перемещения внутри батареи, что может помочь ей заряжаться и разряжаться более эффективно, сохраняя при этом базовую химию литий-ионных аккумуляторов.

Схема процесса аддитивного производства композитных электродов LFP/C методом инфузии гидрогеля и репрезентативные изображения полученных решеток. Изображение предоставлено ACS Energy Lett. 2026, 11, 6, 4392-4400.

Работа все еще находится на стадии исследований. Нет никаких признаков того, что эти батареи готовы к массовому производству, и прежде чем производители смогут внедрить совершенно новую архитектуру электродов, останется еще много проблем.

Масштабирование любой новой технологии производства батарей от лабораторных условий до миллионов изделий — это длительный процесс, часто занимающий годы. Однако исследование указывает на растущую тенденцию в сфере передового производства. Вместо того чтобы использовать аддитивное производство только для изготовления корпусов батарей, инструментов или производственного оборудования, исследователи все чаще используют 3D-печать для перепроектирования самой батареи.

Микроскопические изображения (сверху) и схема (снизу), демонстрирующие электрод батареи, напечатанный на 3D-принтере исследователями из Калифорнийского технологического института. Источник: Sun et al., ACS Energy Letters (2026). Изображение предоставлено ACS Energy Lett. 2026, 11, 6, 4392-4400.

Спрос на более совершенные батареи продолжает расти, поскольку электромобили, центры обработки данных с использованием искусственного интеллекта, системы возобновляемой энергии и повседневная электроника нуждаются в большей мощности и более длительном сроке службы батарей. Большая часть внимания сосредоточена на новых химических составах батарей, но работа команды из Калифорнийского технологического института указывает на другую возможность: улучшение современных литий-ионных батарей путем изменения их конструкции. Если эту концепцию удастся масштабировать за пределы лаборатории, 3D-печать может дать исследователям новый способ переосмысления конструкции батарей без замены технологии, которая уже питает миллионы устройств.

Источник