Збільшити запас енергії акумулятора можна не лише завдяки новим матеріалам, а й через відмову від частини звичних компонентів. Для електромобілів це особливо привабливий підхід: менші маса та об’єм батареї дозволяють ефективніше використовувати простір і зменшувати навантаження на автомобіль.
Південнокорейські науковці досліджують один із таких варіантів — безанодні літій-металеві елементи. У новій роботі вони змінили поверхню мідного струмознімача, щоб літій осаджувався рівномірніше й акумулятор повільніше втрачав ємність.
Навіщо вдосконалювати анод, якщо його можна прибрати?
У звичайному літій-іонному акумуляторі анод найчастіше виготовляють із графіту. Під час заряджання іони літію переміщуються з катода та накопичуються в його структурі. Під час розряджання процес відбувається у зворотному напрямку.
Ця конструкція добре освоєна промисловістю, проте графіт потребує місця й додає ваги. У безанодному елементі заздалегідь підготовлений шар анодного матеріалу відсутній. Немає й додаткового запасу металевого літію: його джерелом слугує катод.
Під час першого заряджання літій осаджується на мідному струмознімачі, формуючи робочий анод. Отже, назва «безанодний» описує початкову конструкцію, а не повну відсутність анода під час експлуатації.
Проблема полягає в тому, щоб цей процес залишався стабільним протягом багатьох циклів. Якщо літій осаджується нерівномірно або витрачається в небажаних реакціях, доступна ємність зменшується. Без додаткового запасу літію такі втрати особливо відчутні.
Літій отримав «паркувальні місця» діаметром 300 нанометрів
На звичайній плоскій міді літій схильний накопичуватися в окремих місцях. Це сприяє утворенню нерівномірних відкладень, зокрема дендритів — розгалужених структур, які можуть порушувати роботу елемента.
Дослідники вирішили вплинути на осадження через геометрію поверхні. За допомогою літографії вторинного розпилення, або SSL, вони створили на мідному струмознімачі впорядковану мережу трубчастих наноструктур.
Їхній діаметр становить приблизно 300 нанометрів, висота — 150 нанометрів, а відстань між сусідніми структурами — близько одного мікрометра. Завдяки такій будові доступна для осадження літію площа збільшилася приблизно вчетверо порівняно з плоскою міддю.
Логіка нагадує розмітку паркувального майданчика: поверхня отримує більше ділянок для розподіленого осадження. Замість накопичення в небагатьох точках літій має рівномірніше займати доступний простір. Проте самої зміни рельєфу виявилося недостатньо.
Самих наноструктур забракло: до роботи залучили MXene
На підготовлену мідь науковці додатково нанесли шар матеріалу Ti₃C₂Tₓ із родини MXene завтовшки близько 10 нанометрів. Це надтонке покриття змінює взаємодію поверхні з електролітом.
У використаному електроліті на основі солі LiPF₆ матеріал посилює адсорбцію аніонів PF₆⁻. Під час роботи елемента це сприяє формуванню рівномірнішого міжфазного захисного шару SEI, багатого на фторид літію.
Такий шар допомагає обмежувати небажані реакції між металевим літієм та електролітом, а також стримувати нерівномірний ріст відкладень. Наноструктури й покриття виконують різні завдання: перші змінюють умови осадження, друге впливає на хімію поверхні.
Таким чином, дослідники намагаються подовжити роботу акумулятора без додавання надлишкового літію, який компенсував би втрати. Основні зміни зосереджені на струмознімачі та його надтонкому поверхневому шарі.
Результати обнадійливі, але до автомобіля ще далеко
Технологію перевірили в лабораторних елементах монетного типу з катодом NCM811. Після 125 циклів зразок із наноструктурованою міддю та MXene мав питому ємність 78,1 мА·год/г. Для контрольного елемента зі звичайною міддю показник становив 44,9 мА·год/г.
Кулонівська ефективність також була вищою: 99,06% проти 95,01%. Цей показник характеризує повернення електричного заряду під час циклу, а не частку збереженої початкової ємності.
Випробування проводили з малою кількістю електроліту, що важливо для практичності безанодних конструкцій. Однак результати невеликих зразків ще потрібно відтворити у великих пакетних або призматичних елементах.
Залишаються питання вартості нанесення наноструктур на великі площі мідної фольги, стабільності виробництва та ресурсу після значно більшої кількості циклів. Окремої перевірки потребують швидке заряджання, мороз і високі температури.
Робота показує, що точне формування поверхні струмознімача може помітно поліпшити характеристики безанодного елемента. Проте заявляти про готову батарею для електромобіля або конкретне збільшення запасу ходу на підставі цих дослідів поки зарано.
