В мире, где технологии развиваются стремительными темпами, аккумуляторы играют ключевую роль. Они питают наши устройства, от смартфонов до электромобилей, и от их эффективности и долговечности во многом зависит прогресс в различных областях. Недавно исследовательская группа из швейцарского Института Пауля Шеррера (PSI) сделала значительный шаг вперёд в разработке твердотельных аккумуляторов (ASSB) — устройств, которые могут стать будущим энергетики.
Что такое твердотельные аккумуляторы?
Твердотельные аккумуляторы — это перспективный вид батарей, в которых в качестве электролита используется твёрдое вещество, а не жидкость или гель, как в традиционных аккумуляторах. Они обещают более высокую энергоёмкость, безопасность и долговечность. Однако на пути их широкого применения стоят определённые технические трудности.
Прорыв швейцарских учёных
Исследователи из PSI сосредоточились на разработке электролита на основе аргиродита — материала, который считается одним из самых перспективных для твердотельных аккумуляторов. В частности, они работали с соединением Li₆PS₅Cl (LPSCl), которое отличается высокой ионной проводимостью, но имеет недостатки, мешающие его коммерческому применению.
Учёные разработали новый подход, который включает:
- процесс низкотемпературного спекания — обработки материала при относительно невысоких температурах;
- нанесение ультратонкого пассивирующего слоя, который помогает уплотнить электролит и стабилизировать его границу раздела с металлическим литием.
Этот метод позволяет решить ряд проблем, характерных для твердотельных аккумуляторов:
- повысить плотность электролита и снизить его пористость;
- предотвратить образование пустот, в которые могут проникать литиевые дендриты — структуры, способные повредить аккумулятор;
- улучшить ионную проводимость и стабильность работы аккумулятора.
Как работает новая технология?
Процесс создания усовершенствованного электролита включает несколько этапов:
- Порошок LPSCl подвергается одноосному прессованию при давлении 380 МПа и комнатной температуре.
- Полученные гранулы перемещаются в вакуумную камеру и прессоваются при давлении 50 МПа и температурах 60 °C, 80 °C и 100 °C. Оптимальной оказалась температура 80 °C — она позволяет улучшить однородность поверхности и плотность гранул, снизить пористость и повысить ионную проводимость.
- На втором этапе на металлическую фольгу из лития наносятся ультратонкие слои фторида лития (LiF) методом электронно-лучевого испарения. Покрытие из LiF подавляет электрохимическое разложение твёрдого электролита при контакте с литием и служит физическим барьером для проникновения литиевых дендритов.
Исследователи оценили несколько толщин покрытия LiF и выяснили, что оптимальная толщина — 65 нм. Такое покрытие улучшает межфазный контакт и стабилизирует формирование межфазы твёрдого электролита.
Результаты тестирования
Оптимизированная аккумуляторная ячейка продемонстрировала впечатляющие результаты:
- после 1500 циклов зарядки и разрядки ячейка сохранила около 75 % своей первоначальной ёмкости;
- стабильная работа была достигнута в течение более чем 2700 циклов при токе 1 мА см⁻² и ёмкости 1,5 мАч см⁻².
По словам ведущего автора исследования Джинсона Чжана, стабильность циклов при высоком напряжении была поразительной и является одной из лучших на сегодняшний день.
Значение разработки
Разработка швейцарских учёных может стать важным шагом на пути к широкому применению твердотельных аккумуляторов. Эти устройства обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами:
- более высокая энергоёмкость;
- повышенная безопасность (твёрдые электролиты менее склонны к возгоранию);
- долгий срок службы.
Однако прежде чем твердотельные аккумуляторы станут массовым продуктом, предстоит решить ещё ряд технических и экономических задач. Тем не менее достижение швейцарских исследователей даёт основания полагать, что будущее за этим типом аккумуляторов.
Заключение
Прогресс в области твердотельных аккумуляторов открывает новые горизонты для развития электромобилей, портативной электроники и других сфер, где важны надёжные и эффективные источники энергии. Разработка учёных из Института Пауля Шеррера — важный шаг на пути к созданию аккумуляторов нового поколения, которые смогут обеспечить более устойчивое и технологически продвинутое будущее.
Источник: pv-magazine
#ТвердотельныеАккумуляторы #ЭнергетическиеТехнологии #НаучныеИсследования #ПрорывВЭнергетике #БудущееЭнергии