Хотя твердотельные батареи обещают улучшенную безопасность, более высокую плотность энергии и потенциально более длительный срок службы, крупные системы хранения энергии для электросетей, в отличие от производителей электромобилей, не спешат их использовать. Доступность, срок службы, надежность, безопасность и финансовая привлекательность для них важнее плотности энергии, пишет PV Magazine. Вдобавок, у твердотельных батарей есть проблемы, связанные с неравномерным осаждением и удалением лития во время работы. От этого ускоряется деградация аккумулятора, увеличивается риск коротких замыканий и снижается надежность.

Исследователи из Университета Донгук разработали полностью твердотельный аккумулятор без анода. В такой системе литий из катода в процессе первого цикла зарядки осаждается непосредственно на токосъемник, формируя анод непосредственно внутри устройства. В результате повышается объемная плотность энергии и упрощается процесс производства.

Сверхтонкий промежуточный слой из олова и углерода позволяет отказаться от использования традиционного анода из металлического лития. Вместо этого на токосъемник со стороны анода наносится тончайшее покрытие из олова и углерода, которое контролирует процесс осаждения лития во время зарядки. Оно способствует равномерному осаждению кристаллов лития, уменьшая потери лития и повышая обратимость процессов зарядки и разрядки.

В прототипе аккумулятора был использован медный токосъемник, покрытый сверхтонкими слоями олова и углерода. Исследователи пришли к выводу, что именно такая архитектура наиболее эффективна. Эксперименты показали, что сочетание олова и углерода обеспечивает превосходный контроль над процессом осаждения лития и повышает стабильность на границе раздела электродов.

Прототип батареи, который собрали исследователи, состоял из модифицированного токосъемника, катода на основе оксида лития-ванадия и твердого электролита — литий-фосфор-оксинитрида. Толщина полученного элемента составила всего 2,77 микрометра, а объемная плотность энергии на 100-м цикле достигла 235,13 Вт·ч/л.

Микроскопический анализ показал, что в процессе первого осаждения лития внутри промежуточного слоя сформировалась трехмерная структура из олова и литий-оловянного сплава. Она помогла компенсировать физические изменения, возникающие при последующих циклах работы, что уменьшило нарушения на границе раздела фаз и обеспечило большую стабильность батареи.

Новый метод может подойти для создания сверхтонких источников питания для носимой электроники, датчиков интернета вещей и медицинских устройств, а также промышленных твердотельных аккумуляторов без анода.

В прошлом месяце Китай утвердил пятилетний план развития отрасли новых аккумуляторов и поставил цели на 2030 год. Страна рассчитывает начать крупномасштабное применение полностью твердотельных батарей, довести срок службы литиевых аккумуляторов до 15 тысяч циклов, а уровень дефектов продукции у ведущих производителей — до нескольких случаев на миллиард.