Увеличить запас энергии аккумулятора можно не только благодаря новым материалам, но и за счет отказа от части привычных компонентов. Для электромобилей это особенно привлекательный подход: меньшая масса и объем батареи позволяют эффективнее использовать пространство и снижать нагрузку на автомобиль.
Южнокорейские учёные исследуют один из таких вариантов — безанодные литий-металлические элементы. В новой работе они изменили поверхность медного токосъемника, чтобы литий осаждался более равномерно, а аккумулятор медленнее терял емкость.
Зачем совершенствовать анод, если его можно убрать?
В обычном литий-ионном аккумуляторе анод чаще всего изготавливают из графита. Во время зарядки ионы лития перемещаются из катода и накапливаются в его структуре. Во время разрядки процесс протекает в обратном направлении.
Эта конструкция хорошо освоена промышленностью, однако графит занимает место и увеличивает вес. В безанодном элементе отсутствует заранее подготовленный слой анодного материала. Нет и дополнительного запаса металлического лития: его источником служит катод.
При первой зарядке литий осаждается на медном токосъемнике, образуя рабочий анод. Таким образом, название «безанодный» описывает исходную конструкцию, а не полное отсутствие анода во время эксплуатации.
Проблема заключается в том, чтобы этот процесс оставался стабильным на протяжении многих циклов. Если литий осаждается неравномерно или расходуется в нежелательных реакциях, доступная ёмкость уменьшается. Без дополнительного запаса лития такие потери особенно ощутимы.
Литий получил «парковочные места» диаметром 300 нанометров
На обычной плоской медной пластине литий имеет свойство скапливаться в отдельных местах. Это способствует образованию неравномерных отложений, в частности дендритов — разветвленных структур, которые могут нарушать работу элемента.
Исследователи решили повлиять на процесс осаждения с помощью геометрии поверхности. С помощью литографии вторичного распыления (SSL) они создали на медном токосъемнике упорядоченную сеть трубчатых наноструктур.
Их диаметр составляет примерно 300 нанометров, высота — 150 нанометров, а расстояние между соседними структурами — около одного микрометра. Благодаря такому строению площадь, доступная для осаждения лития, увеличилась примерно в четыре раза по сравнению с плоской медью.
Логика напоминает разметку парковочной площадки: на поверхности появляется больше участков для распределенного осаждения. Вместо накопления в нескольких точках литий должен более равномерно занимать доступное пространство. Однако одного лишь изменения рельефа оказалось недостаточно.
Самих наноструктур оказалось недостаточно: к работе привлекли MXene
На подготовленную медь ученые дополнительно нанесли слой материала Ti₃C₂Tₓ из семейства MXene толщиной около 10 нанометров. Это сверхтонкие покрытие изменяет взаимодействие поверхности с электролитом.
В отработанном электролите на основе соли LiPF₆ материал усиливает адсорбцию анионов PF₆⁻. Во время работы элемента это способствует формированию более равномерного межфазного защитного слоя SEI, богатого фторидом лития.
Такой слой помогает ограничивать нежелательные реакции между металлическим литием и электролитом, а также сдерживать неравномерный рост отложений. Наноструктуры и покрытия выполняют разные задачи: первые изменяют условия осаждения, вторые влияют на химические свойства поверхности.
Таким образом, исследователи пытаются продлить срок службы аккумулятора без добавления избыточного лития, которое компенсировало бы потери. Основные изменения касаются токосъемника и его сверхтонкие поверхностного слоя.
Результаты обнадеживают, но до автомобиля ещё далеко
Технологию проверили на лабораторных элементах монетного типа с катодом NCM811. После 125 циклов образец с наноструктурированной медью и MXene имел удельную ёмкость 78,1 мА·ч/г. Для контрольного элемента с обычной медью этот показатель составил 44,9 мА·ч/г.
Эффективность Кулона также оказалась выше: 99,06 % против 95,01 %. Этот показатель характеризует возврат электрического заряда в течение цикла, а не долю сохраненной начальной ёмкости.
Испытания проводились с небольшим количеством электролита, что важно для практической применимости безанодных конструкций. Однако результаты, полученные на небольших образцах, ещё предстоит воспроизвести на крупных пакетных или призматических элементах.
Остаются вопросы, касающиеся стоимости нанесения наноструктур на большие площади медной фольги, стабильности производства и срока службы после значительно большего количества циклов. Отдельной проверки требуют быстрая зарядка, мороз и высокие температуры.
Работа показывает, что точное формирование поверхности токосъемника может заметно улучшить характеристики безанодного элемента. Однако заявлять о готовой батарее для электромобиля или о конкретном увеличении запаса хода на основании этих экспериментов пока преждевременно.
