Твердотельная батарея толщиной 2,77 мкм создана в Корее

Южнокорейские исследователи из университета Тонгук представили инновационную разработку в области автономного питания. Ученые создали ультратонкую твердотельную батарею, толщина которой составляет всего 2,77 мкм, что в десятки раз тоньше человеческого волоса. Новая технология открывает перспективы для создания миниатюрных медицинских устройств, датчиков и носимой электроники.

• Толщина разработанной батареи составляет всего 2,77 мкм, что значительно тоньше человеческого волоса.
• Аккумулятор не имеет классического анода, а литий осаждается прямо на токосъемнике при первой зарядке.
• Специальное двухслойное покрытие из олова и углерода решает проблему деградации и появления «мертвого лития».
• Плотность энергии устройства достигает 235,13 Вт·ч/л после 100 циклов зарядки и разрядки.

Инновации в конструкции безанодных батарей

Исследовательская группа под руководством профессора Хён Сока Кима сосредоточилась на решении ключевой проблемы безанодных твердотельных аккумуляторов. В таких источниках питания традиционный жидкий электролит заменен на твердый материал, а отдельный анод отсутствует изначально. Во время первой зарядки ионы лития переходят из катода и осаждаются прямо на токосъемнике, формируя анод непосредственно в процессе работы. Это позволяет существенно упростить общую конструкцию и повысить объемную плотность энергии.

Однако на практике этот процесс сопряжен со значительными трудностями. При циклировании литий имеет свойство осаждаться неравномерно, из-за чего часть металла теряет контакт с токосъемником и превращается в так называемый мертвый литий. Кроме того, при разрядке отдельные участки могут отсоединяться от твердого электролита, что приводит к быстрой деградации батареи и падению ее емкости.

Олово, углерод и метод прелитирования

Для преодоления этих трудностей ученые протестировали различные варианты защитных покрытий токосъемника. Наилучшие результаты показала двухслойная структура, объединившая олово и углерод на медной основе. Данное решение помогло стабилизировать распределение лития и минимизировать потери энергии на разных этапах работы.

Дополнительно был применен процесс предварительного насыщения литием, известный как прелитирование. Он позволил создать резерв металла для компенсации начальных потерь. В ходе первой зарядки внутри покрытия формируется трехмерная структура из олова и литиево-оловянного сплава, которая компенсирует изменения объема и сохраняет электрический контакт между слоями.

Практическое значение и перспективы

Готовый образец аккумулятора включил в себя катод на основе оксида ванадия и лития, твердый электролит из литий-фосфорного оксинитрида и модифицированный медный токосъемник. Устройство продемонстрировало стабильную работу и объемную плотность энергии на уровне 235,13 Вт·ч/л после прохождения ста циклов зарядки и разрядки.

Подобные разработки критически важны для дальнейшей миниатюризации современной электроники. Переход на ультратонкие твердотельные батарески позволит инженерам проектировать принципиально новые гаджеты, медицинские имплантаты и микросенсоры, где каждый квадратный микрометр пространства имеет решающее значение.