Ученые приблизились к созданию эффективной твердотельной литиевой батареи

11:16, 22 сентября 2021

Ее преимущества — большая энергоемкость, экономичность и безопасность

С улучшенными батареями электромобили смогут преодолевать большие расстояния на одном заряде. Фото: Unsplash.com / Chuttersnap.

Ученые из Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ УрО РАН) и Уральского федерального университета впервые экспериментально определили оптимальную толщину алюминиевого слоя между литиевым анодом и твердым электролитом. Исследования уральских ученых приблизили перспективу получения полностью твердотельного литиевого источника питания. Статья о работе опубликована в журнале Solid State Ionics.

Полученные результаты будут использованы в создании высокоэнергоемких полностью твердотельных литиевых источников питания. Их преимущество в сравнении со взрывоопасными батареями с жидким электролитом — в повышенной безопасности эксплуатации. Кроме того, у твердотельных аккумуляторов сравнительно небольшая стоимость производства, более короткий период зарядки, высокая плотность накапливаемой энергии (энергоемкость), меньшие потери при саморазрядке и, следовательно, более длительный срок службы, компактность и легкость, безопасность и экологичность. Наиболее перспективная сфера применения полностью твердотельных батарей — электромобилестроение. С помощью таких батарей электромобили смогут преодолевать большие расстояние на одном заряде.

Критическая проблема разработок полностью твердотельного источника тока (в нем катод, анод и электролит находятся в твердом состоянии) заключается в том, что из-за шероховатости поверхностей электрода и электролита и, следовательно, недостаточной плотности соприкосновения и точечного контакта на границе между электродом и электролитом возникают высокие сопротивления, в том числе поляризационное сопротивление ячейки (анод/твердый электролит/катод). Проблема устраняется размещением между литиевым анодом и электролитом буферного слоя алюминия: в этом случае интерфейс (граница раздела) между анодом и электролитом становится однороднее и плотнее, пустот между ними — гораздо меньше, сопротивление интерфейса — ниже, ток — мощнее и устойчивее. При этом немаловажно, что алюминий широко распространен и поэтому имеет низкую стоимость.

Эффект усиливается, если слой алюминия нанести на литиевый анод, нагретый до температуры плавления лития — свыше 180 ^оС (нагрев происходит в потоке аргона, так как в воздухе литий очень быстро окисляется и разрушается). При нанесении алюминия на расплавленный литий увеличивается площадь и плотность контакта анода с электролитом, сопротивление интерфейса и, как следствие, опасность деградации элементов системы уменьшаются, ее токопроводящие характеристики заметно улучшаются.

«Нашей задачей было установить оптимальную толщину алюминиевого слоя. Методом вакуумного осаждения образцы керамики (то есть твердого электролита) были равномерно покрыты слоями алюминия различной толщины — 10, 50 и 150 нанометров. Проведенные в УрФУ измерения показали: осаждение 150 нанометров алюминия обеспечивает более плотное соприкосновение анода и электролита, приводит к более быстрому образованию стабильной границы раздела между ними — и при комнатной, и при повышенной температурах», — рассказывает Евгения Ильина, руководитель исследований, старший научный сотрудник Лаборатории химических источников тока ИВТЭ УрО РАН.

Принципиально важно, что применение алюминия не ведет к образованию плохо проводящих примесных фаз, способных ухудшить работу системы, утверждают ученые.

«Максимальная эффективность достигается через несколько дней, когда под воздействием тока и нагрева алюминий полностью переходит в расплавленный литий, и вместо литиевого анода и алюминиевого слоя образуется литиевый сплав с очень незначительным содержанием алюминия, непосредственно контактирующий с электролитом», — уточняет Виктория Пряхина, научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ физики и прикладной математики УрФУ.

Часть исследований, проводившихся в УрФУ, выполнена на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии».

Справка

Данная работа проведена в рамках второго этапа исследований по гранту Президента РФ (исследовательский проект Nо MK-1382.2019.3.). На первом этапе научный коллектив осуществил успешную разработку твердого электролита с кубической структурой литий-лантан-цирконий-кислород, легированной ниобием и алюминием. Именно этот электролит, отличающийся высокими значениями плотности (около 98%) и литий-ионной проводимости, а также стабильностью при контакте с металлическим литием, использовался на втором этапе исследований.