Исследователи из Южной Кореи заявили о разработке технологии, которая может привести к меньшим и более лёгким батареям для электромобилей с увеличенным запасом хода на одной зарядке. В KAIST описали подход к устранению главной слабости анод-free аккумуляторов: формирование острых литиевых структур в процессе зарядки, что обычно снижает срок службы. Команда пыталась решить эту проблему, применив методы точного производства, заимствованные из полупроводниковой индустрии, чтобы литий оседал ровнее и формировался более прочный защитный слой.

По данным KAIST, на постороннюю работу проекта также оказали влияние учёные Kyungpook National University и Национального центра наноп fabrication. 22 сентября руководство KAIST во взаимодействии с профессорами Жинуо Ли и Хи-Тэ Джуном объявило о прорыве: применение прецизионных технологий стало способом увеличить ресурс анод-free батарей без заметного увеличения размера и веса устройства. В исследовательской группе упоминаются совместные участники и других учреждений, что подчёркивает межведомственный характер работы.

В обычных литий-ионных батареях литий хранится во внешнем аноде из графита. Анод-free батареи работают иначе: литий может накапливаться непосредственно на тонком медном фольмете, что позволяет сократить вес и толщину батареи и теоретически увеличить энергоёмкость на том же объёме. Однако такой подход сопряжён с рисками: при повторной зарядке литий не равномерно распределяется и может локально образовывать дендриты, способные ухудшать работу элемента.

Эти проблемы, вместе с нестабильностью защитного слоя вокруг лития, часто приводят к более быстрому износу батареи и становятся одним из главных препятствий для массового внедрения анод-free технологий. Ранее пытались компенсировать деградацию добавлением лития или утолщённой защитной оболочкой, но такие решения добавляли объём и вес, снижая главный бонус анод-free подхода.

Чтобы не добавлять много материала, команда из KAIST сосредоточилась на структуре самой медной фольги, где собирается литий. Учёные разработали аккуратно расставленные микропроходы на поверхности меди: их цель похожа на разделение большого парковочного пространства на множество маленьких мест, чтобы литий мог распределяться более равномерно. Этот подход задействовал технологию вторичной нано-разгортки (SSL), применяемую в производстве микрочипов, что позволяет создавать очень мелкие структуры с высокой точностью.

В результате появились трубочки диаметром около 300 нм и высотой около 150 нм, что увеличило доступную площадь медной фольги для осаждения лития примерно в четыре раза по сравнению с обычной поверхностью. Расширенная поверхность способствовала более равномерному распределению лития и снижению концентраций, способных приводить к формированию разрушительных спайков, без существенного увеличения объёма материалов.

Дополнительно учёные покрыли медную фольгу ультратонким слоем MXene толщиной около 10 нанометров. Этот слой не выступал в роли окончательной защитной стенки батареи, а служил основой, на которой формировался более крепкий защитный слой во время эксплуатации. MXene как бы подготавливает поверхность для создания стабильной окантовки, помогая снизить нежелательные химические реакции между литием и электролитом и ограничивая рост литиевых спайков.

В экспериментальных условиях с электролитом на основе LiPF6 наблюдалось формирование нанос jest слой защиты, содержащий высокую концентрацию LiF, что также способствует ограничению вредных реакций и стабилизации поверхности электрода. Исследование включало анализ поверхности и поперечных срезов через такие методики, как XPS, ToF-SIMS и TEM, чтобы проследить развитие защитного слоя на наномасштабе.

Препринтная интерпретация полученных результатов подчеркивает перспективу более компактных и долговечных батарей для будущих электромобилей. Профессор Джинву Ли отметил, что ультрадетальная технология позаимствованная из полупроводниковой промышленности может создавать как однородные участки осаждения лития, так и стабильный защитный слой без изменения состава электролита или добавления лития. По его словам, эти находки могут ускорить коммерческое развитие высокоёмких анод-free батарей и поддержать создание компактных энергонакопителей для будущих авто.

Соавторами исследования выступили Энджи Ким, Хёнджу Джун и Джинук Ким, работа над статьёй велась в KAIST, статья опубликована онлайн 1 сентября в журнале Advanced Functional Materials. Финансирование обеспечивали программа Nano&Material Technology Development при Национальном исследовательском фонде Кореи и NNFC, а также проект NNFC по внедрению платформной технологии для интерфейса полупроводников и вторичных батарей.