Создана твердотельная батарея без анода, которая в 30 раз тоньше человеческого волоса

Учёные южнокорейского университета Тонгук создали тонкоплёночный твердотельный аккумулятор толщиной всего 2,77 мкм. Разработка может пригодиться в носимой электронике, миниатюрных датчиках и медицинских приборах, для которых обычные батареи слишком громоздки. Её ключевая особенность — покрытие из олова и углерода, которое способствует равномерному распределению лития внутри элемента и уменьшает его потери при зарядке и разрядке.

Команда под руководством профессора Хён Сока Кима с кафедры энергетики и материаловедения сосредоточилась на одной из главных проблем безанодных твердотельных аккумуляторов. В них вместо жидкого электролита используется твёрдый материал, а отдельного анода изначально нет: при первой зарядке литий из катода осаждается непосредственно на токосъёмнике и формирует анод внутри элемента. Такая конструкция упрощает производство и позволяет увеличить объёмную плотность энергии.

Однако при многократной зарядке и разрядке литий может распределяться неравномерно. Часть металла утрачивает электрический контакт с токосъёмником и превращается в так называемый мёртвый литий, а при разрядке отдельные участки могут отделяться от твёрдого электролита. Постепенное сокращение запаса доступного лития приводит к ухудшению характеристик и снижению долговечности аккумулятора.

Для решения этой проблемы исследователи проверили несколько вариантов покрытия токосъёмника, в том числе углеродные и металлические слои. Наилучший результат показала двухслойная структура из олова и углерода, нанесённая на медную основу.

Затем учёные покрыли подготовленный токосъёмник тонким слоем металлического лития. Эта процедура, называемая прелитированием, создаёт дополнительный запас металла, который компенсирует потери в первые циклы работы. При первой зарядке внутри покрытия также образуется трёхмерная структура из олова и литий-оловянного сплава. По мнению авторов, она помогает приспособиться к изменениям объёма и формы материала в последующих циклах и сохранить контакт между слоями.

Готовый аккумулятор включал катод на основе оксида ванадия и лития, твёрдый электролит из литий-фосфорного оксинитрида и медный токосъёмник с новым покрытием. При общей толщине 2,77 мкм он достиг объёмной плотности энергии 235,13 Вт·ч/л после 100 циклов зарядки и разрядки. Для сравнения: человеческий волос обычно имеет толщину 50–100 мкм, то есть батарея примерно в 18–36 раз тоньше.

Источник: iXBT