Твердотельные источники тока: на пороге новой революции

10:33, 7 октября 2021

Они заменят литий-ионные аккумуляторы в различной технике

Под руководством Евгении Ильиной ученые создают твердотельные аккумуляторы. Фото: Алена Чуева.

Портал Годнауки.рф подготовил материал, в котором рассказал, почему сегодня востребованы твердотельные батареи, чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов и что мешает их массовому производству.

Литий-ионный «Нобель»

В начале 1990-х революцию в аккумуляторной индустрии совершили литий-ионные батареи. Сейчас эти устройства питают смартфоны, ноутбуки, фотоаппараты и много чего еще. Портативная техника многим обязана литий-ионным батареям — представить современную жизнь без них сложно.

В создании литий-ионной батареи главная роль принадлежит троим ученым: Стэнли Виттингхэму, Джону Гуденафу и Акиро Ёсино. Первый функциональный прототип устройства разработал в 1970-х Виттингхэм. После этого Гуденаф создал катод, который Ёсино в 1985 году использовал в первой полноценной литий-ионной батарее. У Ёсино получился легкий и надежный аккумулятор, который можно было перезаряжать. В 2019 году Джон Гуденаф, Стэнли Виттингхэм и Акира Ёсино получили за создание литий-ионных батарей Нобелевскую премию.

Однако сейчас эта некогда революционная технология уже приближается к пределу своих возможностей. Тенденция к миниатюризации и повышению функциональности гаджетов требует больше, чем литий-ионные аккумуляторы могут дать пользователям.

Возможно, следующая революция в области источников питания будет связана с твердотельными батареями, которые, в отличие от литий-ионных аккумуляторов, содержат не жидкий, а твердый электролит. Электролит — это проводящий состав, которые обеспечивает течение тока между анодом и катодом.

Над созданием твердотельных батарей работают ученые во всем мире.

«Прослойка» из алюминия

Полностью твердофазный аккумулятор с литиевым анодом, перспективным литий-проводящим твердым электролитом на основе цирконата лантана лития разрабатывают исследователи Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ УРО РАН) и Уральского федерального университета.

Сейчас ученые ищут оптимальный материал для катода — применимых вариантов существует много. Важным плюсом в создании твердотельного аккумулятора является отсутствие в нем «балластных» вспомогательных материалов. Но при этом необходимо заботиться об улучшении контакта между функциональными материалами.

Например, одна из критических проблем заключается в том, что из-за шероховатости поверхностей электрода и электролита возникают высокие сопротивления. Недавно уральским ученым удалось предложить решение этой проблемы. Они впервые экспериментально определили, что между литиевым анодом и электролитом можно разместить «прослойку» из алюминия. Это и стало решением.

Благодаря алюминию граница раздела становится однороднее и плотнее, сопротивление — ниже, ток — мощнее и устойчивее. Усилить эффект можно за счет нанесения алюминия на расплавленный литий. Тогда опасность деградации элементов системы уменьшается. Немаловажно при этом, что алюминий — распространенный и дешевый материал.

«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», — уточнила научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники УрФУ Виктория Пряхина.

Гонка носит научный характер

«Мы ищем оптимальные материалы и методы предварительной обработки для формирования плотной и однородной границы между твердым электролитом и электродами. В литературе описаны эксперименты с дорогостоящими материалами — золотом, ниобием... Но есть также и аналогичные разработки с алюминиевым покрытием, что говорит о перспективности данного решения», — комментирует Евгения Ильина, старший научный сотрудник Лаборатории химических источников тока Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, руководитель исследований по созданию твердотельных аккумуляторов.

Твердофазные источники тока имеют ряд преимуществ, по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, включая повышенную безопасность, более широкий диапазон рабочих температур, повышенную устойчивость к агрессивной атмосфере и высоким давлениям. Кроме того, переход к твердым электролитам позволит использовать более высокоемкие химически активные электродные материалы — литий и его сплавы.

Подобные аккумуляторы востребованы преимущественно в крупномасштабных приложениях, таких как электротранспорт и авиационно-космическая техника, для питания систем обслуживания газо- и нефтепроводов. Могут быть применены для питания устройств в экстремальных условиях, в которых использование литий-ионных аккумуляторов не отвечает требованиям безопасности. Например, из-за повышенных температур или наличия агрессивных компонентов среды.

Все чаще появляются сообщения, что вот-вот та или иная компания представит свою разработку твердотельного аккумулятора. Но как скоро появление полноценной твердотельной батареи может стать реальностью, и возможно ли говорить о массовом производстве в перспективе ближайших 3-5 лет, сказать сложно.

«Разработки компаний не являются общедоступной информацией. В то время как в литературе обозначены проблемы, которые должны быть решены для создания реально работающего полностью твердофазного источника тока. Например, одним из лимитирующих факторов для создания полностью твердофазного аккумулятора остается повышенное межфазное сопротивление между электродными материалами и твердым электролитом. Скорее всего, стоит говорить о появлении твердотельных аккумуляторов для решения конкретных промышленных задач, но не о универсальном решении, применимом для питания любого устройства в любых условиях», — поясняет Евгения Ильина.

Поэтому сейчас о рынке непосредственно твердотельных аккумуляторов говорить нельзя. Что касается выхода на рынок перезаряжаемых источников тока в целом, то на нем очень сильную конкуренцию задают традиционные литий-ионные никель-металлгидридные и прочие аккумуляторы. На сегодня у твердотельных устройств имеется своя ниша, так что гонка пока что носит скорее научный характер.