Новая технология увеличивает долговечность твердотельных батарей в 7 раз

В литий-ионных батареях обычно используется жидкий электролит. При зарядке в таких аккумуляторах могут образовываться литиевые дендриты, особенно если литий неравномерно оседает на поверхности анода. Эти «ростки» способны проколоть разделитель внутри батареи, что чревато короткими замыканиями или неконтролируемым нагревом. Чтобы избежать этих проблем, разрабатываются твердотельные батареи (SSB). В них легковоспламеняющийся жидкий электролит заменён на твёрдый. Такое решение повышает безопасность, даёт большую плотность энергии и обеспечивает стабильную работу даже при низких температурах.

AFASSB-батареи пошли ещё дальше — в них вообще не используется анод. Вместо этого при первой зарядке ионы лития мигрируют из катода и оседают на токоприёмнике, образуя литиевый слой. Такая схема позволяет увеличить плотность энергии, поскольку экономит место внутри аккумулятора. Но при многократной зарядке и разрядке процесс осаждения и растворения лития на границе между твёрдым электролитом и токоприёмником становится нестабильным и снижает срок службы элемента. Для решения проблемы раньше использовали покрытия из благородных металлов, таких как серебро или индий. Но из-за высокой стоимости и сложности этот способ не подходит для массового производства.

Тогда исследователи решили покрыть стальные токоприёмники (SUS CCs) тонкими плёнками из недорогого дисульфида молибдена (MoS₂), используя метод MOCVD — осаждение из газовой фазы. В процессе работы аккумулятора MoS₂ вступает в реакцию с литием и превращается в металлический молибден и сульфид лития (Li₂S). Эти вещества образуют тонкий слой, который хорошо взаимодействует с литием и помогает предотвратить образование литиевых дендритов. В результате стабильность интерфейса между электролитом и токоприёмником повышается.

Во время испытаний батареи с токоприёмниками, покрытыми MoS₂, стабильно работали более 300 часов. Для сравнения, элементы без такого покрытия выходили из строя уже через 95 часов — это в 3,2 раза хуже. Полноценные батареи со слоями MoS₂ также показали лучшую производительность: их начальная разрядная ёмкость выросла с 136,1 до 161,1 мАч/г (в 1,18 раза), а сохранение ёмкости после 20 циклов увеличилось в семь раз — с 8,3% до 58,9%.

Хотя работа над этими батареями еще только начинается, ученые надеются увидеть их в деле уже к 2032 году. Они подчеркивают, что использование дешевого дисульфида молибдена вместо дорогих благородных металлов — это ключевой шаг для того, чтобы безанодные твердотельные батареи стали реальностью.