Вчені з інституту високотемпературної електрохімії уральського відділення ран (івте уро ран) і уральського федерального університету (урфу, єкатеринбург) вперше експериментально визначили оптимальну товщину алюмінієвого шару між літієвим анодом і твердим електролітом. Це дозволить їм створити ефективний твердотільний літієвий джерело живлення. Стаття з результатами опублікована в журналі solid state ionics.

На відміну від літій-іонних батарей з рідким електролітом, в повністю твердотільних батареях і електроліт, і електроди виконані з твердих матеріалів. Переваги твердотільних акумуляторів-порівняно невелика вартість виробництва, коротший період зарядки, висока щільність накопичуваної енергії (енергоємність), менші втрати при саморозрядці і, отже, більш тривалий термін служби, компактність і легкість, підвищена безпека і екологічність. Найбільш перспективна сфера застосування повністю твердотільних батарей-електромобілі. За допомогою таких батарей електромобілі зможуть долати великі відстані на одному заряді.

Критична проблема розробок повністю твердотільного джерела струму полягає в тому, що через шорсткість поверхонь електрода і електроліту виникають високі опору, в тому числі поляризаційний опір осередку. Проблема усувається розміщенням між літієвим анодом і електролітом буферного шару алюмінію. В цьому випадку межа розділу стає однорідніше і щільніше, пустот набагато менше, опір нижче, струм могутніше і стійкіше. Посилити ефект можна за рахунок нанесення алюмінію на розплавлений літій. Тоді небезпека деградації елементів системи зменшується, її струмопровідні характеристики помітно поліпшуються. Важливо при цьому, що алюміній широко поширений і тому має низьку вартість.

” нашим завданням було встановити оптимальну товщину алюмінієвого шару. Методом вакуумного осадження зразки кераміки (тобто твердого електроліту) були рівномірно покриті шарами алюмінію різної товщини — 10, 50 і 150 нанометрів. Вимірювання, проведені в уральському федеральному університеті, показали: осадження 150 нанометрів алюмінію забезпечує більш щільне зіткнення анода і електроліту, призводить до більш швидкого утворення стабільної межі розділу між ними — і при кімнатній, і при підвищеній температурах», — розповідає євгенія ільїна, керівник досліджень, старший науковий співробітник лабораторії хімічних джерел струму івте уро ран.

Принципово важливо, що застосування алюмінію не погіршує роботу системи, стверджують вчені.

” максимальна ефективність досягається через кілька днів, коли під впливом струму і нагріву алюміній повністю переходить в розплавлений літій, і замість літієвого анода і алюмінієвого шару утворюється літієвий сплав з дуже незначним вмістом алюмінію, безпосередньо контактує з електролітом», — уточнює вікторія пряхіна, науковий співробітник відділу оптоелектроніки і напівпровідникової техніки урфу.

Зазначимо, робота проведена в рамках другого етапу досліджень за грантом президента рф (дослідницький проект nо mk-1382.2019.3.). На першому етапі науковий колектив розробив електроліт з кубічною структурою літій-лантан-цирконій-кисень, легованої ніобієм і алюмінієм. Саме цей електроліт, що відрізняється високими значеннями щільності (близько 98%) і літій-іонної провідності, а також стабільністю при контакті з металевим літієм, використовувався на другому етапі досліджень.