Ученые из Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ УрО РАН) и Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) впервые экспериментально определили оптимальную толщину алюминиевого слоя между литиевым анодом и твердым электролитом. Это позволит создать эффективный твердотельный литиевый источник питания.

Статья опубликована! в журнале Solid State Ionics. В отличие от литий-ионных батарей с жидким электролитом, в полностью твердотельных батареях и электролит, и электроды выполнены из твердых материалов.

Преимущества твердотельных аккумуляторов — сравнительно небольшая стоимость производства, более короткий период зарядки, высокая плотность накапливаемой энергии (энергоемкость), меньшие потери при саморазрядке и, следовательно, более длительный срок службы, компактность и легкость, повышенная безопасность и экологичность.

Наиболее перспективная сфера применения полностью твердотельных батарей — электромобили. С помощью таких батарей этот вид транспорта сможет преодолевать большие расстояния на одном заряде.

Критическая проблема разработок полностью твердотельного источника тока заключается в том, что из-за шероховатости поверхностей электрода и электролита возникают высокие сопротивления, в том числе поляризационное сопротивление ячейки. Проблема устраняется размещением между литиевым анодом и электролитом буферного слоя алюминия.

В этом случае граница раздела становится однороднее и плотнее, пустот гораздо меньше, сопротивление ниже, ток мощнее и устойчивее. Усилить эффект можно за счет нанесения алюминия на расплавленный литий. Тогда опасность деградации элементов системы уменьшается, ее токопроводящие характеристики заметно улучшаются. Немаловажно при этом, что алюминий широко распространен и поэтому имеет низкую стоимость.

«Нашей задачей было установить оптимальную толщину алюминиевого слоя. Методом вакуумного осаждения образцы керамики (то есть твердого электролита) были равномерно покрыты слоями алюминия различной толщины — 10, 50 и 150 нанометров. Измерения, проведенные в Уральском федеральном университете, показали: осаждение 150 нанометров алюминия обеспечивает более плотное соприкосновение анода и электролита, приводит к более быстрому образованию стабильной границы раздела между ними — и при комнатной, и при повышенной температурах», — рассказывает Евгения Ильина, руководитель исследований, старший научный сотрудник Лаборатории химических источников тока ИВТЭ УрО РАН.

Принципиально важно, что применение алюминия, как утверждают ученые, не ухудшает работу системы.

«Максимальная эффективность достигается через несколько дней, когда под воздействием тока и нагрева алюминий полностью переходит в расплавленный литий, и вместо литиевого анода и алюминиевого слоя образуется литиевый сплав с очень незначительным содержанием алюминия, непосредственно контактирующий с электролитом», — уточняет Виктория Пряхина, научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ физики и прикладной математики УрФУ.

Отметим, работа проведена в рамках второго этапа исследований по гранту Президента РФ. На первом этапе научный коллектив разработал электролит с кубической структурой литий-лантан-цирконий-кислород, легированной ниобием и алюминием. Именно этот электролит, отличающийся высокими значениями плотности (около 98 процентов) и литий-ионной проводимости, а также стабильностью при контакте с металлическим литием, использовался на втором этапе исследований.