Ученые разработали метод, позволяющий увеличить срок службы одного из самых многообещающих типов аккумуляторов — анодных батарей без анода, которые могут сделать электромобили легче и обеспечить им большую дальность на одной зарядке.
Исследователи Корейского института передовых технологий (KAIST) под руководством профессоров Чинву Ли и Хи Тэ Чжуна, совместно с коллегами из Кенбукского национального университета и Национального нанофабрикационного центра, нашли решение проблемы, которая долгое время мешала анодным батареям, стремившимся выйти на массовый рынок.
Суть новой технологии заключается в следующем: в традиционных литий-ионных аккумуляторах литий в процессе зарядки накапливается в аноде, который обычно изготавливается из графита. В анодных батареях графит отсутствует: литий оседает непосредственно на тонкой медной фольге. Это позволяет сделать батарею более компактной и легкой, что в свою очередь обеспечивает возможность хранения большего объема энергии в тех же габаритах, что является критически важным для автопроизводителей, стремящихся увеличить пробег на одной зарядке.
Однако у этой привлекательной идеи имеется недостаток. При многократных циклах зарядки и разрядки литий откладывается неравномерно, образуя острые игольчатые структуры — дендриты. Они не только снижают эффективность аккумулятора, но и повреждают защитный слой на поверхности электрода, что приводит к быстрому ухудшению устройства. Попытки решить эту проблему увеличением количества лития или нанесением толстых защитных покрытий нивелировали главное преимущество технологии — компактность.
Корейские исследователи выбрали другой подход, заимствовав технологии из производства микрочипов. Они создали упорядоченный массив крошечных трубочек на поверхности медной фольги, каждая из которых имеет диаметр около 300 нанометров и высоту 150 нанометров. Для этого был использован метод вторичной распылительной литографии (SSL), применяемый в полупроводниковой отрасли для создания сверхмалых структур. Эта идея напоминает разметку большой автостоянки на отдельные места: вместо беспорядочного скопления литий равномерно распределяется по множеству «ячеек». Это увеличивает полезную площадь поверхности для осаждения лития примерно в четыре раза по сравнению с обычной гладкой фольгой.
Кроме того, ученые нанесли на медь сверхтонкое покрытие из двухмерного материала MXene толщиной всего около 10 нанометров — это в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Оно не является окончательным защитным барьером, а скорее выступает в роли грунтовки перед покраской, способствуя формированию более прочного и стабильного защитного слоя в процессе работы батареи. Он одновременно сдерживает нежелательные химические реакции и подавляет рост дендритов.
Эта разработка ускоряет коммерциализацию анодных батарей с высокой энергоемкостью и приближает появление более компактных и надежных аккумуляторов для электромобилей будущего.
Фото: hi-tech.mail.ru