Корейские исследователи создали прототип полностью твердотельной батареи с плотностью энергии 235,13 Вт·ч/л

Исследователи из южнокорейского Университета Донгук разработали полностью твердотельную тонкопленочную батарею без анода с ультратонким промежуточным слоем из олова и углерода для улучшения осаждения лития и стабильности при циклическом использовании. Прототип толщиной 2,77 микрометра после 100 циклов зарядки показал объемную плотность энергии 235,13 Вт·ч/л, что потенциально открывает путь к созданию более надежных твердотельных аккумуляторов.

Твердотельные аккумуляторы (ТТА) пока не получили широкого распространения в системах накопления энергии (СНЭ), поскольку их потенциальные преимущества пока не перевешивают высокую стоимость, сложности в производстве и ограниченный коммерческий опыт. Несмотря на то, что твердотельные аккумуляторы обещают повышенную безопасность, более высокую удельную энергоемкость и потенциально более длительный срок службы, у систем хранения энергии в масштабах энергосистемы другие приоритеты, чем у электромобилей. Для систем накопления энергии в масштабах энергосистемы более важны доступность, срок службы, надежность, безопасность и рентабельность, чем удельная энергоемкость, поэтому традиционные литий-железо-фосфатные (ЛЖФ) аккумуляторы сложно вытеснить с рынка.

Кроме того, твердотельные накопители сталкиваются с проблемами, связанными с неравномерным нанесением и удалением литиевого покрытия в процессе эксплуатации, что может привести к нестабильности межфазной границы, образованию пустот и росту литиевой (Li) нити. Эти факторы могут ускорить деградацию, повысить риск внутренних коротких замыканий и снизить долгосрочную надежность, необходимую для стационарных накопителей энергии.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из южнокорейского Университета Донгук разработали полностью твердотельную батарею без анода (ASSB), в которой литий из катода осаждается непосредственно на токоприемник во время первого цикла зарядки, образуя анод на месте. «Такая архитектура повышает объемную плотность энергии и упрощает производство, особенно для тонкопленочных батарей». Однако он подвержен потере лития из-за неравномерного осаждения, электрически изолированного «мертвого» лития или потери контакта с твердым электролитом во время снятия изоляции, что снижает стабильность и емкость аккумулятора», — пояснили они.

Предлагаемая инновация основана на том, что исследовательская группа называет безанодной тонкопленочной аккумуляторной платформой с использованием ультратонкого промежуточного слоя олово-углерод (Sn/C), который призван устранить необходимость в традиционном литий-металлическом аноде при производстве. Вместо этого на токосъемник со стороны анода наносится очень тонкое покрытие из олова и углерода, чтобы контролировать процесс осаждения лития во время зарядки.

«Наш промежуточный слой действует как затравка для нуклеации лития, способствуя равномерному осаждению лития, снижая его потери и повышая обратимость при многократной зарядке и разрядке», — говорит ведущий автор исследования Хён-Сук Ким.

Прототип аккумулятора оснащен модифицированным медным токосъемником, покрытым ультратонкими слоями олова и углерода. После оценки нескольких металлических, углеродных и гибридных покрытий исследователи пришли к выводу, что такая конструкция является наиболее эффективной. Эксперименты показали, что комбинация олова и углерода обеспечивает превосходный контроль над осаждением лития, повышая стабильность на границе электрода.

Улучшение связано с различиями в функциях этих двух материалов. Олово создает благоприятные условия для накопления лития, снижая энергию, необходимую для начала осаждения, а углерод помогает распределять осажденный литий более равномерно. Такое сочетание ограничивает неравномерный рост и обеспечивает более стабильную поверхность раздела при многократной зарядке и разрядке.

Чтобы еще больше повысить производительность, команда добавила небольшое количество металлического лития в токосъемник с покрытием перед циклированием. Этот этап «предварительного литирования» создает запас лития, который компенсирует необратимые потери на начальном этапе работы, устраняя ключевое ограничение аккумуляторов без анода.

Исследователи собрали модифицированный токосъемник (Cu@Sn/C) с катодом из оксида лития и ванадия (LVO) и твердым электролитом из оксинитрида лития и фосфора (LiPON). Получившаяся ячейка толщиной всего 2,77 микрометра обеспечила объемную плотность энергии 235,13 Вт·ч/л на 100-м цикле при заявленной скорости цикла 0,01 °C.

Микроскопический анализ также позволил оценить стабильность батареи. Во время первого осаждения лития в межслойном пространстве сформировалась трехмерная структура, содержащая олово и литий-оловянный сплав. Эта структура помогла адаптироваться к физическим изменениям, связанным с последующими циклами зарядки и разрядки, уменьшила нарушения на границе раздела и обеспечила более стабильную работу батареи.

«Наш подход показывает, как проектирование границы раздела и управление запасами лития могут улучшить работу тонкопленочных батарей без анода, — говорит Ким. — Этот подход может способствовать разработке ультратонких батарей для носимой электроники, датчиков интернета вещей и медицинских устройств, а также масштабируемых тонкопленочных батарей без анода для промышленного применения».

Новая концепция твердотельных аккумуляторов была представлена в статье «Преодоление ограничений по плотности энергии: безанодный твердотельный аккумулятор с тонкопленочным катодом из аморфного оксида лития и ванадия», опубликованной в журнале Advanced Energy Materials.

Challenger A12-40 https://invertory.ru/product/akkumuljator-challenger-a12-40/