Техника будет работать дольше: ученые совершили прорыв в области твердотельных батарей

Группа исследователей из кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Центра энергетики и окружающей среды имени Андлингера выяснила, как можно создать новый тип батареи, называемой безанодной твердотельной батареей, которая преодолеет ограничения литий-ионных аккумуляторов. Об этом пишет Tech Xplore.

Как отмечают в издании, литий-ионные аккумуляторы питают большинство современных устройств. Однако спрос на энергию растет, из-за чего возникает потребность в более мощных батареях. В качестве альтернативы рассматриваются твердотельные аккумуляторы.

"Если мы сможем успешно внедрить эти перспективные батареи, мы сможем достичь плотности энергии, которая невозможна с обычными батареями. Это означало бы, что ваш ноутбук и ваш телефон будут работать дольше на одном заряде. Это могло бы позволить электромобилям проезжать более 500 миль на одном заряде", — отметила руководитель исследовательской группы Келси Хатцелл.

По сравнению с литий-ионными, твердотельные аккумуляторы отличаются на двух фундаментальных уровнях. Во-первых, в то время как электролит в литий-ионных батареях является жидкостью, электролит в твердотельном аккумуляторе, как следует из его названия, является твердым веществом.

Твердотельные батареи могут хранить больше энергии в меньшем пространстве, чем литий-ионные батареи. Они также могут работать с высокой производительностью в более широком диапазоне температур и обещают большую долговечность, чем литий-ионные аналоги.

Во-вторых, твердотельные аккумуляторы, над которыми работала команда Хатцелл, являются безанодными. Это значит, что отрицательный электрод был удален. Вместо этого ионы текут от положительного катода непосредственно к токосъемнику на противоположном конце батареи. Затем ионы оседают на самом токосъемнике, образуя тонкий металлический слой по мере зарядки батареи. Удаление анода делает батарею дешевле и компактнее.

"Если бы вы могли собрать батарею без литий-металлического анода, вы бы значительно сократили расходы, используя существующие производственные процессы", — утверждает ведущий исследователь.

Считается, что твердотельные батареи могут произвести революцию в технологии хранения энергии, но на практике они сталкиваются со множеством проблем. Главная проблема — обеспечение хорошего контакта между твердым электролитом и токосъемником. Это гарантирует, что по мере того, как ионы проходят через электролит, они равномерно осаждаются на токосъемнике, когда батарея заряжается, и равномерно отрываются от токосъемника, когда она разряжается.

В отличие от жидких электролитов в традиционных батареях, которые могут легко менять форму, твердые электролиты жесткие. Таким образом, любые дефекты или неровности на поверхности электролита или токосъемника в твердотельной батарее отрицательно влияют на качество контакта между двумя компонентами.

Команда Хатцелл вывила, что как низкое, так и высокое давление не улучшает контакт, а приводит к выходу батарей из строя, но по разным причинам — либо слишком слабый, либо слишком сильный контакт между электролитом и токосъемником. По словам ученых, это дает новое представление о лучших способах изготовления и эксплуатации твердотельных батарей без анода.

"Святым Граалем в этой области станет выяснение того, как поддерживать прочный контакт при низких давлениях, поскольку изготовление бездефектного электролита практически невозможно. Если мы хотим реализовать потенциал этих батарей, нам нужно решить проблему контакта", — заключила профессор Хатцелла.

В рамках другого исследования, команда Хатцелл исследовала способ достижения такого контакта. Исследователи продемонстрировали, что можно добиться более равномерного ионного осаждения и удаления путем нанесения тонкого покрытия между токосъемником и электролитом для улучшения переноса ионов.

Ученые протестировали несколько таких покрытий, называемых прослойками, чтобы изучить, как их структура и состав влияют на распределение ионов во время зарядки. В результате они обнаружили, что промежуточные слои, изготовленные из наночастиц углерода и серебра, лучше всего подходят для достижения равномерного осаждения металла. Серебро образует сплавы с ионами во время заряда и разряда батареи, что позволяет равномерно наносить покрытие и снимать его с токосъемника.

Команда также выявила, что размер наночастиц серебра имеет значение. Прослойки с более крупными, 200-нанометровыми частицами серебра образовывали веретенообразные, неровные металлические структуры на токосъемнике. В свою очередь прослойки с более мелкими, 50-нанометровыми частицами серебра поддерживают более плотные и однородные структуры.

"Задача состоит в том, чтобы всего за несколько лет перейти от исследований к реальному применению", — отметила профессор Хатцелл.