Дослідники з Південної Кореї розробили новий спосіб покращити безанодні акумулятори для електромобілів. Для цього вони використали технології мікровиробництва, які застосовують під час виготовлення напівпровідників. Метод допомагає рівномірніше розподіляти літій усередині акумулятора та стримувати утворення небезпечних дендритів. У результаті батарея може довше працювати без збільшення її ваги та розміру.
Покращення акумуляторів для електромобілів
Безанодні акумулятори вважають одним із перспективних варіантів для електромобілів, оскільки вони можуть зберігати більше енергії при меншій масі. У звичайних батареях літій під час заряджання накопичується у графітовому аноді. У безанодній конструкції цього матеріалу немає, тому літій осідає безпосередньо на тонкій мідній фользі.
Проблема виникає під час багаторазового заряджання. Літій може накопичуватися нерівномірно, утворюючи гострі розгалужені структури, які називаються дендритами. Вони погіршують роботу акумулятора та можуть скорочувати його термін служби.
Дослідники з KAIST разом із колегами з інших південнокорейських установ вирішили цю проблему за допомогою двох технологій. Спочатку вони покрили мідну фольгу надтонким шаром MXene завтовшки близько 10 нанометрів. Це двовимірний матеріал, який працює не просто як готовий захист, а допомагає сформувати його безпосередньо під час роботи батареї.
У середовищі електроліту на основі LiPF6 поверхня MXene сприяє утворенню шару, багатого на фторид літію. Він зменшує небажану реакцію між літієм та електролітом і водночас перешкоджає активному росту дендритів.
Другу частину технології дослідники запозичили безпосередньо з виробництва мікросхем. За допомогою вторинної розпилювальної літографії вони створили на мідній поверхні масив крихітних трубок.
Діаметр кожної такої структури становить приблизно 300 нанометрів, а висота близько 150 нанометрів. Завдяки ним площа поверхні електрода збільшилася приблизно в чотири рази порівняно зі звичайною плоскою мідною фольгою.
Ідея тут досить проста. Коли літію доступно більше поверхні, він розподіляється рівномірніше, замість того щоб накопичуватися в окремих місцях і формувати гострі дендрити.
Дослідники перевірили структуру та хімічний склад отриманого покриття за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії, мас-спектрометрії вторинних іонів, просвічувальної електронної мікроскопії та інших методів. Аналіз показав, що захисний шар рівномірно формується вздовж поверхні MXene.
Раніше для продовження терміну служби таких акумуляторів пропонували використовувати додатковий літій або наносити товсті захисні покриття. Але обидва варіанти збільшують масу та об’єм батареї, через що втрачається одна з головних переваг безанодної конструкції.
Новий підхід дозволяє обійтися без додаткового запасу літію та суттєвого збільшення товщини акумулятора.