Учёные из Южной Кореи разработали технологию, которая может сделать аккумуляторы электромобилей компактнее и легче, одновременно увеличив запас хода. Исследователи Корейского передового института науки и технологий (KAIST) нашли способ продлить срок службы безанодных батарей. В таких элементах нет традиционного анода из графита, а литий осаждается непосредственно на медной фольге.
Главной проблемой этой конструкции остаётся неравномерное накопление лития при зарядке. На поверхности образуются разветвлённые игольчатые структуры — дендриты, которые ухудшают работу батареи и ускоряют разрушение защитного слоя. Команда под руководством профессоров кафедры химической и биомолекулярной инженерии KAIST Джинву Ли и Хи-Тэ Чона решила задачу с помощью методов сверхточного производства, применяемых в полупроводниковой промышленности.
На медной фольге специалисты сформировали упорядоченный массив микроскопических трубок. Каждая из них имеет диаметр около 300 нанометров и высоту 150 нанометров, а общая площадь поверхности фольги для осаждения лития увеличилась примерно в четыре раза по сравнению с обычным плоским листом. Для создания структуры использовали технологию вторичной литографической распылительной обработки (SSL), позволяющую изготавливать элементы с высокой точностью.
Дополнительно медь покрыли слоем двумерного материала MXene толщиной около 10 нанометров. Он не служит самостоятельным защитным барьером, а способствует формированию устойчивого покрытия во время работы аккумулятора. В электролите на основе LiPF6 на поверхности образуется слой с высокой концентрацией фторида лития (LiF), который уменьшает нежелательные реакции между литием и электролитом и сдерживает рост дендритов.
Развитие защитного слоя исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), масс-спектрометрии вторичных ионов с времяпролётным анализом (ToF-SIMS) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Анализ поверхностей и поперечных срезов, выполненный при ограниченном контакте с воздухом, подтвердил равномерное формирование наномасштабного покрытия на MXene.
«Это исследование показывает, как сверхточные методы изготовления, применяемые в производстве полупроводников, позволяют создать однородные участки для осаждения лития и устойчивый защитный слой без изменения состава основного электролита или добавления избыточного лития», — сказал Джинву Ли. Как сообщила KAIST 22 сентября, результаты опубликованы 1 сентября в журнале Advanced Functional Materials; соавторами исследования стали Ынджи Ким, Хёнчжу Чон и Джинук Ким, а финансирование обеспечили программы Национального исследовательского фонда Кореи, Министерства науки и ИКТ и Национального наноцентра.