Создана твердотельная батарея в 30 раз тоньше человеческого волоса — у нее нет анода
Учёные из южнокорейского университета Тонгук разработали тонкоплёночную твердотельную батарею толщиной всего 2,77 мкм. Она может найти применение в носимой электронике, миниатюрных датчиках и медицинских устройствах, где обычные аккумуляторы слишком велики. Главная особенность разработки — специальное покрытие из олова и углерода, которое помогает контролировать распределение лития внутри элемента и снижать его потери при зарядке и разрядке.
Исследователи под руководством профессора Хён Сока Кима из кафедры энергетики и материаловедения попытались решить одну из основных проблем безанодных твердотельных аккумуляторов. В таких батареях жидкий электролит заменён твёрдым материалом, а отдельный анод отсутствует: при первой зарядке литий из катода осаждается непосредственно на токосъёмнике, формируя анод внутри элемента. Такая конструкция упрощает производство и позволяет повысить объёмную плотность энергии.
Однако при многократных циклах литий может осаждаться неравномерно. Часть металла теряет электрический контакт с токосъёмником, превращаясь в так называемый мёртвый литий, а при разрядке некоторые участки могут отсоединяться от твёрдого электролита. В результате количество доступного лития постепенно сокращается, что ухудшает характеристики и долговечность аккумулятора.
Чтобы справиться с этой проблемой, учёные испытали несколько вариантов покрытия токосъёмника, включая углеродные и металлические слои. Лучший результат показала двухслойная структура из олова и углерода, нанесённая на медную основу.
Дополнительно исследователи нанесли на подготовленный токосъёмник тонкий слой металлического лития. Этот процесс предварительного насыщения литием, называемый прелитированием, создаёт дополнительный запас металла, компенсирующий потери на начальных циклах работы. Во время первой зарядки внутри покрытия также формируется трёхмерная структура из олова и сплава лития с оловом. По мнению авторов, она помогает компенсировать изменения объёма и формы материала при последующих циклах, сохраняя 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 50–100 мкм, батарея тоньше него примерно в 18–36 раз) он продемонстрировал объёмную плотность энергии 235,13 Вт·ч/л после 100 циклов зарядки и разрядки.
