Создана твердотельная батарея в 30 раз тоньше человеческого волоса

Ученые из южнокорейского университета Тонгук разработали тонкопленочную твердотельную батарею толщиной всего 2,77 мкм. Она может найти применение в носимой электронике, миниатюрных датчиках и медицинских устройствах, где обычные аккумуляторы слишком велики. Главная особенность разработки — специальное покрытие из олова и углерода, которое помогает контролировать распределение лития внутри элемента и снижать его потери при зарядке и разрядке, сообщает Total.kz со ссылкой на iXBT.

Исследователи под руководством профессора Хен Сока Кима из кафедры энергетики и материаловедения попытались решить одну из основных проблем безанодных твердотельных аккумуляторов. В таких батареях жидкий электролит заменен твердым материалом, а отдельный анод отсутствует: при первой зарядке литий из катода осаждается непосредственно на токосъемнике, формируя анод внутри элемента. Такая конструкция упрощает производство и позволяет повысить объемную плотность энергии.

«Однако при многократных циклах литий может осаждаться неравномерно. Часть металла теряет электрический контакт с токосъемником, превращаясь в так называемый мертвый литий, а при разрядке некоторые участки могут отсоединяться от твердого электролита. В результате количество доступного лития постепенно сокращается, что ухудшает характеристики и долговечность аккумулятора», — говорится в материале.

Чтобы справиться с этой проблемой, ученые испытали несколько вариантов покрытия токосъемника, включая углеродные и металлические слои. Лучший результат показала двухслойная структура из олова и углерода, нанесенная на медную основу.

Дополнительно исследователи нанесли на подготовленный токосъемник тонкий слой металлического лития. Этот процесс предварительного насыщения литием, называемый прелитированием, создает дополнительный запас металла, компенсирующий потери на начальных циклах работы. Во время первой зарядки внутри покрытия также формируется трехмерная структура из олова и сплава лития с оловом. По мнению авторов, она помогает компенсировать изменения объема и формы материала при последующих циклах, сохраняя контакт между слоями.

Готовый аккумулятор состоял из катода на основе оксида ванадия и лития, твердого электролита из литий-фосфорного оксинитрида и медного токосъемника с новым покрытием. При общей толщине 2,77 мкм (для сравнения, толщина человеческого волоса обычно 50–100 мкм, батарея тоньше него примерно в 18–36 раз) он продемонстрировал объемную плотность энергии 235,13 Вт·ч/л после 100 циклов зарядки и разрядки.