Исследователи заявили об определении минимальной толщины покрытия для катодов твердотельных сульфидных батарей

Исследователи из Университета Ханьян определили минимальную толщину покрытия, которая требуется для эффективной защиты поверхности катода в твердотельных аккумуляторах на базе сульфидов. Значение составляет 2,5 нанометра. Это количественная нижняя граница, которой раньше не было в этой сфере.

Свои усилия исследователи сосредоточили на изучение покрытий из оксида лития-ниобия (LNO), нанесенных на катодные порошки NCM811. Для этого использовался метод ротационного порошкового атомно-слоевого осаждения.

Твёрдые электролиты на базе сульфидов проявляют химическую активность на границе раздела катода. Там при контакте с активными материалами катода образуются резистивные продукты деградации. В результате сокращается срок службы аккумулятора. Покрытия небольшой толщины из LNO действуют как диффузионный барьер. Минимальная толщина, которая требуется для фактического подавления этих побочных реакций, ранее была неизвестна.

Команда учёных из университета Ханьян в ходе экспериментов наносила слой LNO разной толщины: 1.0, 2.5 и 5.0 нм. Для этого применялся метод «суперциклического» АОН (атомно-слоевого осаждения). В нём этапы осаждения лития и ниобия чередуются с воздействием озона для обеспечения точного контроля состава. Полученные аккумуляторные элементы продемонстрировали компромиссный характер параметров.

Покрытие толщиной 1.0 нм обеспечило самую высокую начальную разрядную емкость — 229 мА·ч/г, ресурс циклов заряда у этих элементов оказался ниже на 28% по сравнению с образцами, толщина покрытия которых была 2,5 нм. Межфазное сопротивление при этом было на 50% выше.

С помощью спектроскопического анализа учёным удалось подтвердить, что при толщине покрытия 2,5 нм побочные реакции эффективно подавлялись. Этого не наблюдалось при толщине покрытия 1,0 нм. Просто оно было слишком тонким для предотвращения контакта с электролитом.

Образцы с толщиной покрытия 2,5 нм достигли начальной емкости 216 мА·ч/г. Увеличение толщины покрытия до 5,0 нм привело к дальнейшему снижению емкости до 207 мА·ч/г без какого-либо существенного выигрыша в циклическом ресурсе.

Если сравнивать с элементом без покрытия, то катод с покрытием 2,5 нм обеспечил увеличение циклического ресурса на 43% и снижение межфазного сопротивления более, чем вдвое.