Группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего представила технологию, которая может значительно ускорить коммерциализацию твердотельных аккумуляторов. Команда обнаружила, как можно управлять внутренними фазами металлических сплавов в анодах так, чтобы литий перемещался по ним практически без сопротивления. Это позволило добиться стабильной работы ячеек на протяжении тысяч циклов зарядки, устранив одну из главных проблем твердотельных систем — быстрый износ активных материалов.
Работа велась совместно со специалистами из университетов Ирвайна и Санта-Барбары, а также инженерами LG Energy Solution. Основное внимание уделили литий-алюминиевым сплавам — перспективным кандидатам для создания анодов повышенной прочности. Ученые изучили, как именно ионы лития перемещаются между двумя фазами этого сплава: насыщенной литием β-фазой и обедненной α-фазой.
Оказалось, что эти структуры радикально отличаются по скорости переноса заряда. В β-фазе литий способен проходить через кристаллическую решетку без значительных энергетических барьеров. В α-фазе, напротив, перемещение происходит с задержками, что ограничивает скорость зарядки и ухудшает долговечность батареи.
Исследователи проверили, можно ли искусственно сместить баланс в пользу β-фазы, изменяя относительное содержание лития и алюминия. В результате удалось создать материал, в котором преобладают области с высокой подвижностью ионов. Скорость миграции лития в них оказалась в 10 миллиардов раз выше, чем в α-фазе. Такая перестройка структуры сделала анод более плотным и устойчивым, улучшила контакт с твердым электролитом и уменьшила образование микротрещин.
Для проверки эффекта были изготовлены прототипы аккумуляторных ячеек с анодами, обогащенными β-фазой. Тесты показали, что такие элементы способны работать при высокой скорости зарядки и демонстрировать практически неизменную емкость после 2000 циклов, что является крайне высоким показателем для твердотельных систем.
Авторы подчеркивают, что впервые удалось экспериментально подтвердить прямую связь между фазовым распределением в сплавах и характером движения лития. Это открывает путь к созданию анодов, параметры которых можно проектировать заранее — под конкретные задачи и требуемые характеристики.
Важную роль сыграла и примененная технология изготовления. Вместо высокотемпературного метода выращивания кристаллов использовали молекулярно-пучковую эпитаксию (MBE), позволяющую формировать материал атомный слой за атомным. За счет этого структура получилась практически без дефектов, что обеспечило рекордные показатели стабильности и точности.
Полученные материалы продемонстрировали необычайно высокое качество и открыли возможности для будущей интеграции твердотельных аккумуляторов в массовую электронику, транспорт и системы накопления энергии. Высокая энергоемкость, устойчивость к перегреву и способность выдерживать быстрые циклы зарядки делают такие батареи одним из наиболее перспективных направлений развития индустрии.
Если вашей компании необходимы надежные литиевые аккумуляторные батареи, разработанные под конкретные задачи — обращайтесь в НЭТЕР. Мы создаем решения на основе актуальных технологий и строгих стандартов качества.