Прорыв в создании твердотельных батарей: новая технология от учёных

Учёные из Швейцарского института Пауля Шеррера (PSI) совершили значительный прорыв в разработке твердотельных батарей нового поколения. Их инновационный метод производства позволяет создавать аккумуляторы с увеличенным сроком службы, повышенной безопасностью и высокой энергоёмкостью. Такие батареи могут стать ключевым элементом для развития электромобилей, мобильной электроники и систем хранения энергии.

Традиционные литий-ионные аккумуляторы, несмотря на свою распространённость, имеют ряд недостатков: они содержат легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, что повышает риск возгорания, а также ограничены по ёмкости и скорости зарядки. Твердотельные батареи лишены этих проблем, так как используют твёрдые электролиты, которые не только безопаснее, но и позволяют увеличить плотность энергии.

Однако до недавнего времени на пути к массовому производству твердотельных батарей стояли две основные проблемы: образование литиевых дендритов и нестабильность на границе анода и электролита. Дендриты — это микроскопические металлические структуры, которые могут прорастать через электролит, вызывая короткое замыкание. Нестабильность же на границе раздела приводит к деградации батареи и снижению её эффективности.

Команда исследователей под руководством Марио Эль Каззи разработала уникальный подход, который решает обе эти проблемы одновременно. Учёные использовали аргиродит Li₆PS₅Cl — сульфидный твёрдый электролит с высокой ионной проводимостью. Однако для его эффективного применения требовалось устранить пористость материала, которая способствует образованию дендритов.

Ранее для уплотнения электролита применялись методы с использованием высокого давления или экстремальных температур (свыше 400°C). Однако такие подходы приводили к нежелательным побочным эффектам: либо материал оставался пористым, либо разрушался под воздействием высоких температур. Учёные PSI предложили альтернативу — щадящее спекание при умеренной температуре около 80°C и под давлением.

Этот метод позволил получить плотную и однородную структуру электролита без нарушения его химической стабильности. Частицы материала образовали прочные связи, поры закрылись, а микроструктура стала устойчивой к проникновению дендритов. Однако для обеспечения стабильной работы батареи при высоких токах, характерных для быстрой зарядки и разрядки, потребовалось дополнительное решение.

Исследователи нанесли на поверхность литиевого анода ультратонкое покрытие из фторида лития (LiF) толщиной всего 65 нанометров. Этот слой выполняет сразу две функции: предотвращает электрохимическое разложение электролита при контакте с литием и служит физическим барьером для дендритов.

Результаты лабораторных испытаний превзошли ожидания. В тестах на циклическую стабильность батарея сохранила 75% своей первоначальной ёмкости после 1500 циклов зарядки-разрядки. Это один из лучших показателей, достигнутых на сегодняшний день для твердотельных аккумуляторов. Марио Эль Каззи отмечает, что такие результаты открывают путь к созданию батарей, которые превзойдут традиционные литий-ионные аналоги по энергоёмкости и долговечности.

Новый метод производства обладает и экономическими преимуществами: благодаря использованию низких температур процесс требует меньше энергии, что снижает затраты. «Наш подход — это практическое решение для промышленного производства твердотельных батарей на основе аргиродита. Осталось внести лишь несколько корректировок, и можно начинать массовое производство», — говорит Эль Каззи.

Разработка учёных из PSI может стать важным шагом на пути к созданию более безопасных, эффективных и долговечных источников энергии, которые найдут применение в самых разных областях — от электромобилей до портативных устройств.

*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.