Группа ученых из Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ УрО РАН) и Уральского федерального университета определила толщину слоя между литиевым анодом и твердым электролитом, сообщает УрФУ. Экспериментальное открытие приближает нас к будущему, в котором полностью твердотельные литиевые батареи станут обыденной частью промышленности.
Как утверждают исследователи в своей научной работе, твердотельные батареи куда безопаснее аналогов с жидким электролитом. Также твердотельные источники питания будут намного выгоднее в производстве, они обладают большей энергоемкостью и сроком службы, следовательно, это благоприятно скажется на экологии. По мнению ученых, твердотельные батареи найдут широкое применение в электромобилестроении, поскольку при схожих характеристиках с нынешними аналогами транспорт, оборудованный новым источником питания, сможет преодолевать куда большее расстояние на одной зарядке.
В процессе создания твердотельных литиевых аккумуляторов есть серьезный недостаток: шероховатости поверхностей электрода и электролита становятся причиной недостаточной плотности соприкосновения и точечного контакта на границе между элементами, что становится причиной высокого сопротивления.
Однако ученые смогли решить эту проблему, поместив слой алюминия между литиевым анодом и электролитом, который выступает в роли буфера. Благодаря этому граница раздела между анодом и электролитом становится плотнее, а поляризационное сопротивление ячеек ― ниже. Немаловажно отметить, что алюминий недорог в производстве и его нетрудно добыть. Кроме этого, если нагретый до температуры плавления литиевый анод покрыть слоем алюминия, то увеличивается площадь контакта анода с электролитом, что значительно повышает качество токопроводимости.
Евгения Ильина, руководитель исследований, рассказала, что для определения оптимального размера слоя алюминия исследователи взяли три образца толщиной 10, 50 и 150 нанометров. При помощи метода вакуумного осаждения ученые отметили, что образец толщиной 150 нанометров показал оптимальную плотность соприкосновения анода и электролита, что обеспечивает стабильную границу раздела между ними в любых температурных условиях.
Ученые подчеркивают, что использование алюминия в литиевой системе не грозит образованием плохо проводящих примесных фаз, которые могут нарушить работу источника питания.
«Максимальная эффективность достигается через несколько дней, когда под воздействием тока и нагрева алюминий полностью переходит в расплавленный литий, и вместо литиевого анода и алюминиевого слоя образуется литиевый сплав с очень незначительным содержанием алюминия, непосредственно контактирующий с электролитом», — уточняет Виктория Пряхина, научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ физики и прикладной математики УрФУ.
