Японские исследователи изучают механизм снижения электрического сопротивления твёрдотельных литиевых аккумуляторов

Твёрдотельные литиевые аккумуляторы стали новым популярным направлением работ специалистов по материаловедению и инженерии. Это неудивительно, поскольку современные литий-ионные аккумуляторные батареи с жидким электролитом больше не соответствуют требованиям передовых технологий. В частности, речь идёт об электромобилях, которые требуют от аккумуляторов высокой энергетической плотности, длительной эксплуатации и быстрой зарядки. Всё это могут обеспечить АКБ, в которых вместо жидкого электролита используется твёрдый. Ещё одним их преимуществом является более высокая безопасность по сравнению с моделями, которые используются сейчас.

Любая аккумуляторная система имеет свои плюсы и минусы. В том числе, и твердый электролит. Учёные уже давно обнаружили, что на границе между твердым электролитом и положительным электродом существует большое электрическое сопротивление, происхождение которого они пока объяснить не могут. Помимо этого, когда на поверхность электрода воздействует воздух, сопротивление увеличивается. Это уменьшает ёмкость и мощность аккумуляторной батареи. Учёные уже несколько раз предпринимали попытки понизить это сопротивление, но ни одна из них не была успешной.

Недавно этой проблемой занялась исследовательская группа во главе с профессором Таро Хитосуги (Taro Hitosugi) и Сигеру Кобаяши (Shigeru Kobayashi,) из Токийского технологического института (Tokyo Tech). Им удалось сдвинуть этот вопрос с мёртвой точки. Они разработали стратегию восстановления низкого сопротивления на границе твердотельного электролита. Исследователь также заявляют, что смогли раскрыть механизм, который лежит в основе снижение сопротивления. В результате, была получена ценная информация о природе твердотельных аккумуляторов. Исследование было проведено совместно со специалистами Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST) и Университета Ямагата. Результаты были опубликованы здесь.

Исследовательская группа подготовила тонкопленочные батареи, которые состоят из литиевого отрицательного электрода, положительного электрода LiCoO₂ и твердого электролита Li₃PO₄. Поверхность LiCoO₂ была подвергнута воздействию воздуха, азота (N₂), кислорода (O₂), углекислого газа (CO₂), водорода (H₂) и водяного пара (H₂O) в течение 30 минут. Учёные обнаружили, что воздействие N₂, O₂, CO₂ и H₂ не ухудшило характеристики батареи по сравнению с образцом где, не было такого воздействия. Профессор Хитосуги сказал, что лишь пары H₂O сильно разрушают границу раздела Li₃PO₄ — LiCoO₂ и резко увеличивают сопротивление до значений в 10 раз превышающих сопротивление образца, не подвергавшегося воздействию.

Затем команда исследователей правила процесс, который они называют «отжигом». При этом образец аккумулятора с осажденным отрицательным электродом подвергался термической обработке при 150 градусах Цельсия в течение часа. После этого сопротивление на границе раздела уменьшилась до 10,3 Ом на см². Это сопоставимо со значением сопротивления аккумулятора, которые не подвергался воздействию воздуха.

После этого специалисты провели численное моделирование и ряд измерений. Они сделали предположение, что снижение сопротивления связано с удалением протонов из структуры LiCoO₂ во время отжига. Как заключил профессор Хитосуги, исследование продемонстрировало, что протоны в структуре LiCoO₂ играют важную роль в процессе восстановления. Он надеется, что полученные сведения о важных микроскопических процессах позволят расширить возможности для создания и применения твердотельных литиевых аккумуляторов.