Южнокорейские учёные разработали твердотельный аккумулятор без анода толщиной всего 2,77 мкм
Исследователи из Университета Донгук в Южной Корее разработали прототип твердотельного аккумулятора без анода, объёмная плотность энергии которого после 100 циклов зарядки составила 235 Вт·ч/л. При толщине всего 2,77 мкм в аккумуляторе используется новая промежуточная прослойка из олова и углерода, которая помогает сократить потери лития и повысить надёжность. Пока это не прорыв в технологии аккумуляторов для электромобилей, но такой подход может помочь решить одну из главных технических проблем твердотельных аккумуляторов.
Анод формируется при зарядке аккумулятора
Исследование, опубликованное в научном журнале Advanced Energy Materials под названием «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», посвящено управлению осаждением лития в твердотельных аккумуляторах. В обычном литий-ионном аккумуляторе анод и катод существуют как отдельные элементы, а при зарядке ионы лития перемещаются между ними. В новой конструкции на этапе изготовления нет традиционного анодного слоя. При первой зарядке литий перемещается с катода на токосъёмник, образуя на нём слой металлического лития.
Такой подход позволяет уменьшить размеры аккумулятора и увеличить количество энергии, запасаемой в единице объёма. Проблема, однако, заключается в неравномерном осаждении лития: оно может приводить к потере ёмкости и внутренним коротким замыканиям.
Олово и углерод повышают стабильность аккумулятора
В предложенной исследователями конструкции используется медный токосъёмник, на который нанесена сверхтонкая промежуточная прослойка из олова и углерода.
Олово способствует началу осаждения лития, а углерод помогает распределять его более равномерно. Это снижает риск образования неоднородных структур лития при зарядке, а также риск того, что часть лития окажется электрически изолированной и перестанет участвовать в накоплении энергии. Исследователи также применили предварительное литирование, добавив в систему небольшой запас лития для компенсации необратимых потерь в течение первых циклов работы.
В прототипе катод из оксида лития-ванадия сочетается с твёрдым электролитом типа LiPON. Толщина катода составляет приблизительно 2 мкм, а всего аккумуляторного элемента — 2,77 мкм.
После 100 циклов заряда-разряда объёмная плотность энергии элемента составила 235,13 Вт·ч/л. Испытания проводились при очень низком токе, со скоростью зарядки 0,01 C.
Плотность энергии пока недостаточна для электромобилей
Хотя результат демонстрирует новый подход к разработке твердотельных аккумуляторов, 235 Вт·ч/л — не выдающийся показатель по меркам аккумуляторов современных электромобилей.
Современные литий-ионные аккумуляторы могут достигать плотности энергии в несколько сотен Вт·ч/л на уровне отдельного элемента. Поэтому прототип Университета Донгук нельзя считать прямым конкурентом аккумуляторов для электромобилей, которые разрабатывают Toyota, CATL и другие крупные производители.
Важнее сам принцип конструкции. Отсутствие анода на этапе изготовления может в будущем сократить расход материалов и позволить создавать более компактные аккумуляторные элементы.
Однако в случае нынешнего прототипа остаются вопросы о долговечности, зарядке при высоком токе, затратах на производство и адаптации технологии к крупносерийному выпуску аккумуляторов.
Новый подход может особенно хорошо подойти для носимой электроники, медицинских устройств и небольших датчиков, где размеры аккумулятора зачастую важнее плотности энергии.
Важное направление исследований для европейской аккумуляторной отрасли
Европейские производители аккумуляторов и автоконцерны инвестируют в твердотельные аккумуляторы, рассчитывая увеличить запас хода, повысить безопасность и снизить зависимость от традиционных литий-ионных аккумуляторов.
Тем не менее работа Университета Донгук показывает, что успех твердотельных аккумуляторов зависит не только от новых электролитов. Управление процессами на границах электродов не менее важно.
Главная ценность исследования — не плотность энергии в 235 Вт·ч/л, а возможность повысить стабильность аккумулятора, изготовленного без анода. Если исследователи смогут применить тот же принцип в более крупных элементах и при более высоких токах зарядки, это может способствовать разработке аккумуляторов следующего поколения.
Пока технология остаётся лабораторной. Прежде чем её можно будет использовать в электромобилях, потребуется значительная дальнейшая работа.
