Твердотельные литиевые батареи, к которым относятся кремний-углеродные и керамические, обладают высокой плотностью энергии и не теряют своих свойств во время работы при низких температурах, например, зимой. Однако, их кремний-углеродная или керамическая решётка, лежащая в основе твёрдого электролита, подвержена микроскопическому растрескиванию, что выводит батарею из строя. Чтобы этого не происходило учёные из США разработали новую технологию, устраняющую этот недостаток. В итоге такая батарея может стать условно вечной.
Команда специалистов из Стэнфордского университета решила проблему хрупкости электролитов твердотельных батарей. Исследователи обнаружили, что нанесение и нагрев ультратонкого серебряного покрытия на твёрдый аккумуляторный электролит может предотвратить микроскопическое растрескивание, которое обычно приводит к отказу батареи. Это серебряное покрытие увеличивает устойчивость электролита к разрушению в пять раз.
Для начала давайте простыми словами поговорим о том, что же такое твердотельный аккумулятор, чем он отличается от литиевого, кремний-углеродного или керамического.
Что такое твердотельный аккумулятор?
Все перечисленные выше названия по сути одно и то же. Дело в том, что для повышения плотности энергии физики-химики придумали вместо жидкого электролита, переносящего ионы между анодом и катодом (разряд/заряд батареи) использовать твёрдые соли. Для этого они взяли кремний, из которого отлично получается мягкий силикон или губная помада, и углерод из которого получаются твёрдые, прочные конструкции, например карбон, и собрали из двух этих элементов кремний-углеродную решётку. В эту решётку поместили микровкрапления солей, переносящих ионы.
Так получился твердотельный (кремний-углеродный) аккумулятор, где на поверхность анода нанесены частицы лития. Собрав несколько таких слоёв: анод-решётка-катод, можно получить аккумулятор, который при малых физических размерах, в частности - толщине, обладает большой плотностью энергии.
Такая структура позволяет создавать твердотельные литиевые аккумуляторы любой формы. Из-за того, что в них используется твёрдый электролит, низкие температуры никак не влияют на его вязкость. Точнее, не так сильно влияют на его физические свойства, как на жидкий электролит. Поэтому, такие аккумуляторы удобно использовать в любых устройствах: от смартфонов до электробусов. Вот и получается, что электробусы спокойно катаются зимой по Москве и прекрасно себя чувствуют, как и пассажиры, у которых в руках новые смартфоны с новыми кремний-углеродными аккумуляторами.
При всей успешности кремний-углеродных батарей у них есть один недостаток. Во время перезарядки, особенно при быстрой зарядке, решётка, испытывая нагрев, получает микротрещены. Эти трещины могут привести к выходу батареи из строя или даже возгорания. Чтобы такого не происходило надо или чаще менять аккумулятор или усовершенствовать его.
Другим вариантом твердотельных батарей выступили более надёжные керамические аккумуляторы. Принцип их создания тот же самый, только электролит сделан из керамического материала с вкраплением солей. Такие батареи могут работать даже, если от них отрезать какую-либо часть. А ещё они не плавятся при температуре +250°C в течение 5 часов. Единственное, они уступают по токоотдаче кремний-углеродным примерно на 15-20%. Это плата за надёжность. Но и такие аккумуляторы также подвержены микротрещинам.
3-нанометровый серебряный щит.
Профессор Венди Гу из Стендфодрского университета, входящий в группу разработчиков новых аккумуляторов, рассказал, что керамические электролиты, используемые в твердотельных батареях, имеют один существенный недостаток. Эти материалы подвержены получению микроскопических трещин, которые под напряжением приводят к неисправности элемента питания.
"Твердотельноая батарея состоит из слоёв сложенных катодно-электролитно-анодных листов. Производство их без даже малейших недостатков было бы практически невозможно и очень дорогим", - пояснил профессор.
Команда нанесла 3-нанометровую серебряную плёнку на поверхность керамического электролита, а после произвела отжиг этого образца при температуре 300°C. В результате ионы серебра проникли (диффундировали) в электролит, создав условную защитную плёнку. Если вдаваться в технические подробности, то ионы серебра проникли в электролит на глубину от 20 до 50 нанометров. Процесс можно сравнить с битумом, который льют в растрескавшийся асфальт.
На молекулярном уровне эти ионы серебра являются настоящим щитом, предотвращая проникновение лития в микротрещены твёрдого электролита.
В результате "серебряная плёнка" сцепила микротрещины и не даёт образовываться новым.
Продвинутые твердотельные батареи.
Чтобы понять, насколько повысилась прочность "новых" твердотельных аккумуляторов, разработчики, вооружившись специализированным зондом и сканирующим электронным микроскопом, проверили надёжность материала, измерив его точку разрыва под физическим напряжением.
Обработанный серебром электролит оказался почти в пять раз более устойчивым к растрескиванию, чем необработанный вариант.
Теперь задачей исследователей стала проверка допустимого количества перезарядки таких аккумуляторов. Цель состоит в том, чтобы проверить, выдержит ли этот серебряный щит тысячи циклов зарядки, чтобы одного аккумулятора хватило как минимум на 10 лет использования в электромобиле.
Если испытания закончиться успешно, то вместо лития специалисты хотят использовать натрий. Такие аккумуляторы гораздо дешевле литиевых, но страдают от подобных проблем с растрескиванием.
Вместо заключения.
Я уверен, что технологию подхватят китайские производители твердотельных аккумуляторов. Им же необходимо продвигать свой автопром на все мировые рынки. Возможно, поэтому так сильно в цене подскочило серебро.
Китайцы научились выделять до 98% золота из старых печатных плат и с помощью газированной воды выделять литий из страх батарей. Теперь будут думать, как проще и дешевле доставать серебро из аккумуляторов электрокаров.
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.