Південнокорейські дослідники розробили твердотільний акумулятор без анода завтовшки лише 2,77 мікрометра
Дослідники з Університету Донгук у Південній Кореї розробили прототип твердотільного акумулятора без анода з об’ємною щільністю енергії 235 Вт·год/л після 100 циклів заряджання. Акумулятор завтовшки лише 2,77 мікрометра має новий проміжний шар з олова й вуглецю, який допомагає зменшити втрати літію та підвищити надійність. Це ще не прорив у технології акумуляторів для електромобілів, але такий підхід може допомогти подолати одну з найбільших технічних проблем твердотільних акумуляторів.
Анод в акумуляторі формується під час заряджання
Дослідження, опубліковане в науковому журналі Advanced Energy Materials під назвою «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», присвячене контролю осадження літію в твердотільних акумуляторах. У звичайному літій-іонному акумуляторі анод і катод є окремими, а під час заряджання іони літію переміщуються між ними. У новій конструкції на момент виготовлення немає звичайного шару анода. Під час першого заряджання літій переміщується з катода до струмознімача й утворює на ньому шар металевого літію.
Такий підхід дає змогу зменшити розміри акумулятора й збільшити кількість енергії, що зберігається в одиниці об’єму. Проблема, однак, полягає в нерівномірному осадженні літію, яке може призводити до втрати ємності та внутрішніх коротких замикань.
Олово й вуглець підвищують стабільність акумулятора
Для цього дослідники використали мідний струмознімач, на який нанесли надтонкий проміжний шар з олова й вуглецю.
Олово сприяє початку осадження літію, а вуглець допомагає розподіляти його рівномірніше. Це знижує ризик утворення нерівномірних структур із літію під час заряджання, а також того, що частина літію втратить електричний контакт і більше не братиме участі в накопиченні енергії. Дослідники також застосували попереднє літіювання: додали до системи невеликий запас літію, щоб компенсувати незворотні втрати протягом перших робочих циклів.
У прототипі поєднано катод з оксиду літію-ванадію та твердий електроліт типу LiPON. Товщина катода становить приблизно 2 мікрометри, а всього акумуляторного елемента — 2,77 мікрометра.
Після 100 циклів заряджання й розряджання об’ємна щільність енергії елемента становила 235,13 Вт·год/л. Випробування проводили за дуже низького струму, зі швидкістю заряджання 0,01 C.
Показник щільності енергії поки що недостатній для електромобілів
Хоча результат демонструє новий підхід до розробки твердотільних акумуляторів, показник 235 Вт·год/л не є винятковим за мірками акумуляторів сучасних електромобілів.
Сучасні літій-іонні акумулятори можуть досягати щільності енергії в кілька сотень Вт·год/л на рівні окремого елемента. Тому прототип Університету Донгук не можна вважати прямим конкурентом акумуляторам для електромобілів, які розробляють Toyota, CATL та інші великі виробники акумуляторів.
Важливішим є принцип, на якому ґрунтується конструкція. Відсутність анода в початковій конструкції може в майбутньому зменшити витрати матеріалів і дати змогу створювати компактніші акумуляторні елементи.
Утім, щодо нинішнього прототипу залишаються питання про довговічність, заряджання за високого струму, виробничі витрати й адаптацію технології до масового виробництва акумуляторів.
Новий підхід може бути особливо придатним для носимої електроніки, медичних пристроїв і невеликих датчиків, де розміри акумулятора часто важливіші за щільність енергії.
Важливий напрям досліджень для європейської акумуляторної галузі
Європейські виробники акумуляторів та автомобільні групи інвестують у твердотільні акумулятори, сподіваючись збільшити запас ходу, підвищити безпеку та зменшити залежність від звичайних літій-іонних акумуляторів.
Водночас робота Університету Донгук показує, що успіх твердотільних акумуляторів залежить не лише від нових електролітів. Контроль процесів на межах поділу електродів не менш важливий.
Справжня цінність дослідження полягає не в показнику щільності енергії 235 Вт·год/л, а в можливості підвищити стабільність акумулятора без анода. Якщо дослідникам вдасться застосувати той самий принцип у більших елементах і за вищих струмів заряджання, це може сприяти розробці акумуляторів наступного покоління.
Поки що технологія залишається в лабораторії. Перш ніж її можна буде використовувати в електромобілях, знадобиться значна подальша робота над її розвитком.
