Батареи постепенно теряют ёмкость с годами использования, но микроскопические причины, приводящие к деградации, долгое время оставались для учёных практически «невидимыми».
Традиционные инструменты визуализации часто позволяют лишь проводить анализ батарей после их разборки по завершении циклов, в то время как прямое наблюдение за перемещением и реакциями ионов внутри батареи в реальных жидких рабочих условиях с достаточно высоким пространственным и временным разрешением всегда оставалось чрезвычайно сложной задачей.
Теперь в решении этой проблемы достигнут прорыв. Исследовательская группа под руководством доцента Мао Сяньвэня с кафедры материаловедения и инженерии Национального университета Сингапура разработала новую микроскопическую технологию под названием «оптическая наноскопия с локализацией ионов» (ion-localization optical nanoscopy, далее ION), которая впервые позволила напрямую наблюдать и точно локализовать единичные события реакций ионов в процессе работы батареи. Результаты были опубликованы в майском номере международного научного журнала «Nature Materials» за 2026 год.
Эта технология способна преобразовывать невидимую ионную активность в крошечные световые вспышки с пространственным разрешением около 50 нанометров и временным разрешением 20 миллисекунд, отслеживая поведение отдельных ионов на границах раздела материалов батареи в реальном времени.
С её помощью исследовательская группа обнаружила, что внутри, казалось бы, однородных частиц, реакции на самом деле протекают крайне неоднородно, и между различными областями существует динамическое синергетическое взаимодействие — эти открытия предлагают совершенно новый взгляд на понимание механизмов медленной деградации батарей.
Основываясь на этом важном прогрессе, журналист China Energy Media взял эксклюзивное интервью у Мао Сяньвэня, чтобы обсудить технологический прорыв, ценность для индустриализации и более широкие перспективы применения.
China Energy Media: Металлические батареи рассматриваются как важное направление для систем хранения энергии следующего поколения, но их индустриализация сдерживается проблемами «короткого срока службы и быстрого отказа». Как ваша технология визуализации решает это узкое место? С точки зрения промышленного внедрения, каковы сценарии применения цинк-металлических и литий-металлических батарей?
Мао Сяньвэнь: Ключевая проблема металлических батарей не в том, «можно ли их сделать», а в том, «могут ли они работать стабильно, долгосрочно и безопасно». Их ценность заключается в более высокой плотности энергии и более низком электродном потенциале, но разные металлические системы соответствуют разным промышленным направлениям.
Цинк-металлические батареи отличаются низкой стоимостью, высокой безопасностью и обилием ресурсов, что делает их более подходящими для крупномасштабного хранения энергии, например, для интеграции возобновляемых источников энергии в сеть, сетевых накопителей энергии, парковых накопителей и резервного питания для центров обработки данных. В настоящее время такие международные компании, как Eos Energy, ZincFive, SoftBank и другие, уже добились существенного прогресса в коммерциализации цинковых батарей.
Литий-металлические батареи, в свою очередь, больше подходят для высокотехнологичных сценариев, требующих предельной удельной энергии, таких как беспилотники большой продолжительности полета, электрификация авиации, низковысотная экономика и электромобили с повышенными требованиями к запасу хода в будущем.
Значение нашей работы для промышленности как раз и заключается в решении ключевой проблемы «короткого срока службы и быстрого отказа».
На примере цинк-металлических батарей, наиболее острой проблемой в настоящее время является неравномерное осаждение на аноде, приводящее к образованию «мертвого цинка», деактивации границы раздела и, в конечном итоге, к быстрой потере ёмкости. Технология ION позволяет в реальном времени, на уровне отдельных ионов и субчастиц, наблюдать за местоположением, степенью активности и взаимным влиянием областей реакции осаждения цинка. Раньше можно было видеть только общее снижение производительности, а теперь эта микроскопическая информация может предоставить прямые механистические обоснования для разработки более стабильных и долговечных анодных материалов.
China Energy Media: В чём заключается основной прорыв технологии ION? Каковы её уникальные преимущества по сравнению с традиционными высокоуровневыми методами характеризации, такими как электронная микроскопия и синхротронное излучение? Как она может превратиться из академического инструмента в промышленную R&D-платформу?
Мао Сяньвэнь: Основной прорыв, по сути, можно свести к одной фразе — впервые «невидимые ионные реакции» были напрямую преобразованы в наблюдаемые и количественно измеримые оптические сигналы.
Раньше можно было видеть морфологию и структуру частиц, измерять общие электрохимические характеристики, а также наблюдать изменения концентрации на уровне отдельных частиц, но было очень трудно в реальной жидкой рабочей среде напрямую увидеть, где именно образуются ионы, какие позиции на границе раздела более активны и как различные области влияют друг на друга.
Технология ION заимствует идею флуоресцентной микроскопии с локализацией одиночных молекул, связывая ионы, образующиеся в процессе заряда-разряда батареи, со специфическим процессом флуоресцентного отклика, и преобразует изначально невидимые события образования ионов в точно локализуемые флуоресцентные мигающие сигналы.
Таким образом, мы можем отслеживать реакционное поведение отдельных ионов в реальном времени с пространственным разрешением около 50 нанометров и временным разрешением 20 миллисекунд.
По сравнению с такими высокоуровневыми методами, как электронная микроскопия и синхротронное излучение, главное преимущество ION не в более высоком разрешении — на самом деле разрешение электронной микроскопии может быть выше — а в том, что она ближе к «реальным рабочим условиям» и является неразрушающей.
Электронная микроскопия часто требует высокого вакуума или криогенной среды, синхротронное излучение также требует облучения высокоэнергетическим пучком, и в этих условиях трудно одновременно поддерживать естественное состояние жидкофазной электрохимической реакции, к тому же легко вызвать радиационное повреждение.
Технология ION основана на оптической платформе, она может проводить визуализацию в жидкой среде, под напряжением и при длительной работе, практически не повреждая образец. Кроме того, сама оптическая платформа обладает относительно более низкой стоимостью, более высокой пропускной способностью и лучшей масштабируемостью.
Для нас её ценность для индустриализации заключается именно в этом: это не просто научный инструмент для «объяснения одного механизма», но и потенциальная промышленная R&D-платформа для «повышения эффективности».
Предприятия могут использовать её для быстрого сравнения различий в локальных реакциях, вызванных разными материалами анода, электролитами, добавками и решениями по модификации поверхности, что позволяет в более короткие сроки отбирать более однородные, стабильные и долговечные системы материалов.
При дальнейшей инженерии она вполне может превратиться в высокопроизводительную скрининговую платформу для компаний, занимающихся батареями и материалами, сокращая цикл разработки материалов и уменьшая зависимость от неэффективных методов проб и ошибок, основанных на длительных циклических испытаниях. Это представляет реальный интерес для предприятий по хранению энергии, производителей аккумуляторных материалов и даже для компаний, выпускающих передовое оборудование для характеризации.
China Energy Media: Помимо исследования батарей, каковы более широкие перспективы применения этой технологии? Какую роль она может сыграть в таких энергетических областях, как «зелёный» водород и разработка катализаторов?
Мао Сяньвэнь: Более широкое значение этой технологии в том, что она не ограничивается батареями. Теоретически, она может быть применена к любой системе, где существуют «межфазные реакции с участием ионов». Это включает, помимо прочего, границы раздела анода и катода батарей, реконструкцию электрокатализаторов, процессы ионного обмена, коррозию и пассивацию.
Возьмём, к примеру, «зелёный» водород. Одним из ключевых компонентов электролиза воды является катализатор. Как предприятия, так и научные учреждения стремятся найти каталитические материалы с более низкой стоимостью, более высокой активностью, более длительным сроком службы и основанные на распространённых в земной коре элементах. Однако скрининг катализаторов часто занимает много времени, сопряжён с множеством проб и ошибок и высокими затратами. Типичной проблемой является вымывание переходных металлов — это один из ключевых вопросов, влияющих на стабильность и срок службы катализатора.
Если мы распространим технологию ION на каталитические реакции и, в сочетании с флуоресцентными зондами для конкретных ионов, таких как ионы меди, сможем напрямую наблюдать за поведением вымывания атомов металла в медных катализаторах или других электрохимических процессах в реальных рабочих условиях, раскрывая микроскопический механизм снижения активности катализатора на уровне отдельных ионов. Таким образом, исследователи смогут быстрее определить, какой катализатор более стабилен и какая модификация поверхности более эффективна.
С более широкой промышленной точки зрения, как в области аккумуляторов для хранения энергии, так и в области катализаторов для «зелёного» водорода, текущие исследования и разработки сталкиваются с общей дилеммой: материалов-кандидатов много, но по-настоящему эффективных, стабильных и недорогих материалов мало, а стоимость их скрининга очень высока.
Если с помощью платформы для визуализации границ раздела, подобной ION, можно будет быстрее идентифицировать локальные механизмы отказа и источники активности, это позволит перевести разработку материалов от традиционного неэффективного метода проб и ошибок к более эффективному, количественно измеримому и предсказуемому процессу скрининга.
Для крупных энергетических компаний, производителей материалов и водородных технологических компаний ценность таких инструментов заключается в сокращении цикла открытия материалов, снижении затрат на исследования и разработки и ускорении сроков промышленного внедрения. Мы уверены, что по мере дальнейшего технологического развития и инженерии, ION имеет потенциал стать универсальной платформой для in-situ характеризации механизмов межфазных реакций и играть всё более важную роль в исследованиях систем хранения энергии нового поколения, каталитической конверсии, мембранного разделения и стабильности материалов.
С более широкой промышленной точки зрения, как в области аккумуляторов для хранения энергии, так и в области катализаторов для «зелёного» водорода, текущие исследования и разработки сталкиваются с общей дилеммой: материалов-кандидатов много, но по-настоящему эффективных, стабильных и недорогих материалов мало, а стоимость их скрининга очень высока.
Если с помощью платформы для визуализации границ раздела, подобной ION, можно будет быстрее идентифицировать локальные механизмы отказа и источники активности, это позволит перевести разработку материалов от традиционного неэффективного метода проб и ошибок к более эффективному, количественно измеримому и предсказуемому процессу скрининга.
Для крупных энергетических компаний, производителей материалов и водородных технологических компаний ценность таких инструментов заключается в сокращении цикла открытия материалов, снижении затрат на исследования и разработки и ускорении сроков промышленного внедрения. Мы уверены, что по мере дальнейшего технологического развития и инженерии, ION имеет потенциал стать универсальной платформой для in-situ характеризации механизмов межфазных реакций и играть всё более важную роль в исследованиях систем хранения энергии нового поколения, каталитической конверсии, мембранного разделения и стабильности материалов.