Южнокорейски изследователи разработиха твърдотелна батерия без анод с дебелина едва 2,77 микрометра
Изследователи от университета „Донгук“ в Южна Корея разработиха прототип на твърдотелна батерия без анод с енергийна плътност 235 Wh/l след 100 цикъла на зареждане. Батерията е дебела едва 2,77 микрометра и използва нов междинен слой от калай и въглерод, който спомага за ограничаване на загубите на литий и повишаване на надеждността. Това все още не е пробив в технологията на батериите за електромобили, но подходът може да помогне за преодоляване на една от най-сериозните технически слабости на твърдотелните батерии.
Батерията образува анода си при зареждане
Изследването, публикувано в научното списание Advanced Energy Materials под заглавие „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode“, се съсредоточава върху контрола на отлагането на литий в твърдотелните батерии. При обикновената литиево-йонна батерия анодът и катодът са отделни, а при зареждане литиевите йони се придвижват между тях. Новата конструкция няма конвенционален аноден слой при производството. При първото зареждане литият преминава от катода към токосъбирача и образува върху него слой метален литий.
Този подход позволява да се намалят размерите на батерията и да се увеличи количеството енергия, съхранявано в единица обем. Проблемът обаче е неравномерното отлагане на лития, което може да доведе до загуба на капацитет и вътрешни къси съединения.
Калаят и въглеродът подобряват стабилността на батерията
Решението на изследователите използва меден токосъбирач, към който са добавили свръхтънък междинен слой от калай и въглерод.
Калаят подпомага началото на отлагането на лития, а въглеродът спомага за по-равномерното му разпределение. Това намалява риска при зареждане да се образуват неравномерни литиеви структури или част от лития да се окаже електрически изолирана и да престане да участва в съхраняването на енергия. Изследователите са използвали и предварително литиране, като са добавили малък резерв от литий към системата, за да компенсират необратимите загуби през първите цикли на работа.
Прототипът съчетава катод от литиево-ванадиев оксид с твърд електролит от типа LiPON. Катодът е дебел приблизително 2 микрометра, а дебелината на цялата батерийна клетка е 2,77 микрометра.
След 100 цикъла на зареждане и разреждане клетката е постигнала обемна енергийна плътност от 235,13 Wh/l. Изпитванията са проведени при много нисък ток, със скорост на зареждане 0,01 C.
Енергийната плътност все още не е достатъчна за електромобили
Макар резултатът да показва нов подход към разработването на твърдотелни батерии, 235 Wh/l не е изключителна стойност спрямо стандартите при съвременните електромобили.
Съвременните литиево-йонни батерии могат да достигнат енергийна плътност от няколкостотин Wh/l на ниво клетка. Затова прототипът на университета „Донгук“ не може да се смята за пряк конкурент на батериите за електромобили, разработвани от Toyota, CATL или други големи производители на батерии.
По-важен е принципът, залегнал в конструкцията. Архитектурата без анод би могла в бъдеще да намали използването на материали и да позволи създаването на по-компактни батерийни клетки.
При сегашния прототип обаче остават въпроси за дълготрайността, зареждането с висок ток, производствените разходи и адаптирането на технологията за мащабно производство на батерии.
Новият подход може да е особено подходящ за носима електроника, медицински устройства и малки сензори, при които размерите на батерията често са по-важни от енергийната ѝ плътност.
Важно направление за изследванията в европейската батерийна индустрия
Европейските производители на батерии и автомобилни групи инвестират в твърдотелни батерии с надеждата да увеличат пробега, да подобрят безопасността и да намалят зависимостта от конвенционалните литиево-йонни батерии.
Работата на университета „Донгук“ обаче показва, че успехът на твърдотелните батерии не зависи само от нови електролити. Контролът върху процесите на границите между електродите и съседните им материали е поне толкова важен.
Истинската стойност на изследването не е в енергийната плътност от 235 Wh/l, а във възможността батерия без анод да стане по-стабилна. Ако изследователите успеят да приложат същия принцип при по-големи клетки и по-високи токове на зареждане, това би могло да допринесе за разработването на батерии от следващо поколение.
Засега технологията остава в лабораторията. Ще бъде необходимо значително по-нататъшно развитие, преди да може да се използва в електромобили.
