Команда доктора Нам Ги Хуна из Исследовательского центра аккумуляторных материалов и процессов Корейского электротехнологического института (KERI) успешно разработала технологию контроля нанослоя олова, направленную на решение проблемы нестабильности границы раздела между литий-металлическим анодом и твердым электролитом в полностью твердотельных аккумуляторах, что является одним из ключевых препятствий на пути их коммерциализации. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.
Полностью твердотельные аккумуляторы привлекают внимание значительно меньшим риском возгорания по сравнению с традиционными батареями с жидким электролитом. Замена традиционного графитового анода на литий-металлический позволяет повысить плотность энергии, однако технические проблемы, связанные с межфазным контактом, остаются острыми. Нестабильный физический контакт между твердым электролитом и электродными материалами препятствует эффективному переносу ионов, а дендритные структуры, образующиеся на литий-металлическом аноде в процессе многократных циклов заряда-разряда, еще больше сокращают срок службы батареи.
Ранее в лабораторных условиях для стабилизации границы раздела обычно использовали внешнее высокое давление в десятки мегапаскалей или сложные процессы нанесения покрытий. При применении систем высокого давления в реальных устройствах, таких как электромобили, вес самого прижимного устройства может превышать вес батареи, что приводит к увеличению производственных затрат и снижению эффективности использования пространства, ограничивая масштабное внедрение.
Разработанный командой KERI тонкий промежуточный слой нанослова наносится непосредственно на поверхность литий-металлического анода методом трансферной печати. Этот промежуточный слой снижает межфазное сопротивление, уменьшает физическое повреждение литий-металлического анода и служит каналом для переноса ионов. Исследовательская группа протестировала эту технологию на ячейках-паучах: при низком давлении всего в 2 МПа после 500 циклов сохранение ёмкости превысило 81%, а плотность энергии составила более 350 Вт·ч/кг, что выходит за пределы диапазона традиционных литий-ионных аккумуляторов (150–250 Вт·ч/кг).
Доктор Нам Ги Хун отметил: «Это исследование имеет большое значение, поскольку оно одновременно обеспечивает масштабируемость на большие площади и стабильность границы раздела, необходимые для коммерциализации полностью твердотельных аккумуляторов, и предлагает практически реализуемое решение». Руководитель проекта доктор Ха Юн Чхоль подчеркнул: «Полностью твердотельные аккумуляторы являются ключевой областью конкуренции в сфере аккумуляторных технологий, и этот результат представляет собой прогресс в достижении технологической независимости и конкурентных преимуществ».
Исследование выполнено в сотрудничестве с доктором Ким Ён У из Корейского института энергетических исследований. Команда с помощью моделирования на основе первопринципных расчетов выяснила механизм, с помощью которого сплавы на основе олова регулируют перенос ионов лития на уровне атомной и электронной структуры.