Южнокорейские учёные из KAIST применили технологии полупроводникового производства для создания медного токосъёмника, который позволяет литию равномерно осаждаться во время зарядки аккумулятора. Разработка представлена 22 сентября и нацелена на увеличение срока службы так называемых безанодных батарей. Такие элементы не содержат графита и других материалов, обычно накапливающих литий при заряде, что снижает вес и объём устройства.
В безанодных аккумуляторах литий осаждается прямо на тонкую медную фольгу. При многократных циклах заряда и разряда он скапливается неравномерно, образуя острые ветвящиеся наросты — дендриты. Защитный слой поверх лития также теряет стабильность, из-за чего характеристики батареи падают, а срок её работы сокращается. Для электромобилей это означает, что запас хода на одной зарядке мог бы вырасти, если бы удалось повысить ёмкость без увеличения размеров и массы аккумулятора.
Метод южнокорейской команды сочетает микроскопические структуры, распределяющие литий по медной фольге, с ультратонким покрытием, которое помогает сформировать прочный защитный слой прямо в процессе работы батареи. Медную фольгу покрыли слоем материала MXene (двумерный материал в виде чрезвычайно тонких листов) толщиной около 10 нанометров. В электролите на основе LiPF6 эта поверхность способствовала образованию защитного слоя, богатого фторидом лития (LiF), что снизило нежелательные реакции лития с электролитом и подавило рост дендритов.
Для контроля осаждения лития исследователи использовали литографию вторичным распылением (SSL) — процесс точной микрообработки, применяемый в производстве полупроводников. Они создали массив микроскопических трубок диаметром около 300 нанометров и высотой 150 нанометров, увеличив площадь поверхности примерно в четыре раза по сравнению с плоской медной фольгой. Большая площадь позволяет литию распределяться, а не концентрироваться в отдельных точках и превращаться в шипы. Состав и структуру слоёв изучали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, времяпролётной вторично-ионной масс-спектрометрии, просвечивающей электронной микроскопии и других методов.
«Это исследование показывает, как ультратонкие методы производства, используемые при изготовлении полупроводников, позволяют создать одновременно равномерные участки для осаждения лития и стабильный защитный слой без изменения состава объёмного электролита и без добавления избыточного лития», — приводит SciTechDaily слова Чин У Ли, профессора факультета химической и биомолекулярной инженерии KAIST. Он руководил работой вместе с профессором Хи Тхэ Чоном, также из KAIST, в сотрудничестве с исследователями из Университета Кёнпук и Национального нанофаб-центра. По словам Ли, технология должна ускорить коммерциализацию высокоэнергетических безанодных аккумуляторов.
Ранее для продления срока службы батарей добавляли избыточный литий взамен утраченного или наносили толстую защитную плёнку. Оба подхода утяжеляют и утолщают элемент, сводя на нет преимущества безанодной конструкции по массе и габаритам. Новый метод даёт защиту при минимальных добавках веса и объёма, что соответствует задаче создания компактных и лёгких аккумуляторов для электромобилей. Исследование поддержано программами Национального исследовательского фонда Кореи при Министерстве науки и ИКТ, а также проектами Национального нанофаб-центра.