А объёмная плотность энергии достигает 235 Вт·ч/л
Исследователи из южнокорейского университета Тонгук создали тонкоплёночную твердотельную батарею толщиной всего 2,77 мкм. Она может быть использована в носимой электронике, миниатюрных датчиках и медицинских устройствах, где стандартные аккумуляторы слишком громоздки. Основная особенность этой разработки — специальное покрытие из олова и углерода, которое позволяет контролировать распределение лития внутри элемента и снижать его потери во время зарядки и разрядки.
Группа исследователей под руководством профессора Хён Сока Кима из кафедры энергетики и материаловедения стремилась решить одну из ключевых проблем безанодных твердотельных аккумуляторов. В таких батареях жидкий электролит заменяется твердым материалом, и отдельный анод отсутствует: при первой зарядке литий из катода осаждается непосредственно на токосъёмнике, формируя анод внутри элемента. Эта конструкция упрощает процесс производства и позволяет увеличить объёмную плотность энергии.
Тем не менее, при многократных циклах литий может осаждаться неравномерно. Часть металла теряет электрический контакт с токосъёмником, превращаясь в так называемый мёртвый литий, а во время разрядки некоторые участки могут отсоединяться от твёрдого электролита. В результате количество доступного лития постепенно уменьшается, что негативно сказывается на характеристиках и долговечности аккумулятора.
Чтобы преодолеть эту проблему, учёные протестировали несколько вариантов покрытия токосъёмника, включая углеродные и металлические слои. Лучший результат был достигнут с помощью двухслойной структуры из олова и углерода, нанесённой на медную основу.
Дополнительно исследователи нанесли на подготовленный токосъёмник тонкий слой металлического лития. Этот процесс предварительного насыщения литием, известный как прелитирование, создает дополнительный запас металла, компенсирующий потери на начальных циклах эксплуатации. Во время первой зарядки внутри покрытия также формируется трёхмерная структура из олова и сплава лития с оловом. По мнению авторов, это помогает компенсировать изменения объёма и формы материала при последующих циклах, поддерживая контакт между слоями.
Готовый аккумулятор состоял из катода на основе оксида ванадия и лития, твёрдого электролита из литий-фосфорного оксинитрида и медного токосъёмника с новым покрытием. При общей толщине 2,77 мкм (для сравнения, толщина человеческого волоса обычно составляет 50–100 мкм, так что батарея тоньше его примерно в 18–36 раз) он показал объёмную плотность энергии 235,13 Вт·ч/л после 100 циклов зарядки и разрядки.
Источник