Укладывание ячейки в тонких слоях может привести к более высоким емкостям твердотельных батарей

Прототип батареи. Empa

Пока еще, ни одна технология хранения портативной энергии не способна объединять высокую энергию и быструю зарядку с обширной безопасностью.Тем не менее, решение вскоре может увидеть свет: в EMPA Ярослав Романеюк и его команда разработали прототип сплошной батареи, который потенциально может сочетать все три преимущества.

Например, литий-ионные аккумуляторы, используемые в современных мобильных телефонах или электромобилях, превосходны при хранении большого количества энергии, но требуют десятков минут для зарядки и сброса в лучшем случае.Это ограничивает их использование в мощных применениях, таких как воздушные транспортные средства с электрическими мощными во время взлета и посадки.Более того, поскольку вещество, которое проводит ионы в этих батареях, является жидкостью, его воспламеняемость поднимает проблемы безопасности.

Твердовые аккумуляторы используют непонкутируемый твердый электролит.Тем не менее, единственные батареи такого типа, которые в настоящее время доступны в настоящее время,-это тонкие твердотельные батареи.Несмотря на мощную и безопасную, емкость для хранения энергии этих батарей низкая.Это ограничивает их использование приложениями с низким энергопотреблением, например, имплантированными медицинскими устройствами, такими как кардиостимуляторы или небольшие устройства, такие как чтения карт.

В течение примерно 10 лет ученые в EMPA работают над разработкой тонкопленочной батареи, которая сочетает в себе энергию, мощность и безопасность.И их усилия начинают приносить плоды, как утверждает статья, недавно опубликованная в журнале Communications Chemistry.

«Мы использовали опыт нашей фотоэлектрической лаборатории в области технологии тонкой пленки, используя специальный процесс для отложения тонких пленок материала аккумулятора на подложку с использованием физического отложения вакуума»,-объясняет Мориц Фушер, первый автор исследования.Приняв этот процесс, ученые смогли увеличить вместимость хранения энергии своего прототипа.«Чтобы сделать это, нам пришлось найти способ увеличить плотность энергии батареи - другими словами, чтобы уменьшить долю веса в весах», - говорит он.

Их раствор заключался в том, чтобы сложить две тонкопленочные ячейки друг на друга на одном и том же субстрате.«Самым сложным было соединение двух ячеек. Вот где вакуумное осаждение было необходимым для создания стабильного соединения примерно в 1/100 -й толщине человеческих волос и откладывающих клетки точно друг на друга», - добавляет Фушер.

И это работает-тесты, проведенные учеными, показывают, что можно зарядить прототип всего за одну минуту, в то время как моделирование показывает, что эта конструкция батареи может конкурировать с емкостью для хранения энергии и будущих литий-ионных батарей.

Несмотря на то, что первый лабораторный прототип в настоящее время состоит из двух клеток, ученые предполагают, что они способны складывать еще больше клеток на одном и том же субстрате.«Наши симуляции показывают, что оптимум составляет около 10 ячеек, после чего вес субстрата играет незначительную роль», - говорит Фушер.

Учитывая очень высокую начальную стоимость производства этих батарей, они будут склонны быть зарезервированы для применений, где энергия, мощность и безопасность имеют важное значение, но где стоимость не является основным препятствием.Они могли, например, быть использованы в самолетах, дронах или спутниках.

Больше информации: Moritz H. Futscher et al., Монолитно стойкие сплошные сплошные батареи, химия связи (2023).Doi: 10.1038/s42004-023-00901-w