Bateria cieńsza od ludzkiego włosa. Koreańczycy osiągnęli 235 Wh/l dzięki nowej technologii

Naukowcy z Korei Południowej opracowali ultracienką baterię ze stałym elektrolitem, która może otworzyć nowe możliwości w zasilaniu miniaturowej elektroniki. Ogniwo ma zaledwie 2,77 mikrometra grubości, a jego gęstość energii po 100 cyklach wyniosła 235,13 Wh/l. Kluczem do uzyskania tych parametrów okazało się zastosowanie warstw cyny i węgla, które pomagają kontrolować zachowanie litu wewnątrz akumulatora.

Nowa generacja baterii. Problemem nie jest tylko pojemność

Rozwój elektroniki ubieralnej, inteligentnych czujników oraz miniaturowych urządzeń medycznych stawia przed producentami baterii coraz większe wymagania. Źródła zasilania muszą zajmować minimalną przestrzeń, zapewniać odpowiednią ilość energii i zachowywać stabilność podczas wielokrotnego ładowania.

Jednym z rozwiązań są akumulatory typu all-solid-state, czyli baterie wykorzystujące elektrolit stały zamiast ciekłego. Taka konstrukcja może ograniczać część zagrożeń związanych z tradycyjnymi ogniwami litowo-jonowymi, a jednocześnie pozwala na opracowywanie nowych, bardziej kompaktowych architektur.

Problemem pozostaje jednak kontrolowanie przemieszczania i osadzania się litu. Podczas kolejnych cykli ładowania i rozładowywania metal może odkładać się nierównomiernie, a część jego zasobów przestaje uczestniczyć w reakcjach elektrochemicznych. W efekcie bateria stopniowo traci dostępną pojemność.

Zespół badawczy z Uniwersytetu Dongguk w Korei Południowej, kierowany przez profesora Hyun-Suka Kima, zaproponował sposób ograniczenia tego zjawiska poprzez odpowiednie zaprojektowanie powierzchni, na której osadza się lit.

Cyna i węgiel pomagają kontrolować osadzanie litu

Najważniejszym elementem opracowanego rozwiązania jest dwuwarstwowa powłoka umieszczona na miedzianym kolektorze prądowym. Składa się ona z cyny oraz węgla, które pełnią odmienne, ale wzajemnie uzupełniające się funkcje.

Warstwa cyny ułatwia rozpoczęcie procesu osadzania litu, ponieważ obniża barierę energetyczną jego zarodkowania. Z kolei węgiel wpływa na dalszy wzrost osadzającego się metalu, sprzyjając bardziej równomiernemu rozkładowi litu na powierzchni kolektora.

Ma to szczególne znaczenie w konstrukcjach bezanodowych, określanych jako anode-less. W takich ogniwach nie stosuje się klasycznej, wcześniej przygotowanej anody zawierającej materiał aktywny. Zamiast tego lit pochodzący z katody odkłada się na kolektorze prądowym podczas pierwszego ładowania.

Rozwiązanie upraszcza budowę ogniwa i może zwiększać jego objętościową gęstość energii. Jednocześnie wymaga bardzo precyzyjnej kontroli procesów zachodzących na granicy materiałów.

Jeżeli lit osadza się nierównomiernie lub podczas rozładowywania traci kontakt elektryczny z pozostałą częścią ogniwa, powstaje tak zwany martwy lit. Nie uczestniczy on już efektywnie w magazynowaniu energii, co prowadzi do pogorszenia parametrów akumulatora.

Badacze porównali różne warianty powłok, obejmujące sam węgiel, sam metal oraz połączenia obu materiałów. Najkorzystniejsze rezultaty w analizowanych konfiguracjach zapewniła właśnie struktura cynowo-węglowa.

Dodatkowy zapas litu ma ograniczać utratę pojemności

Sama modyfikacja powierzchni kolektora nie była jedynym elementem opracowanej technologii. Naukowcy zastosowali również proces wstępnego dostarczenia litu, określany jako prelithiation.

Polegał on na naniesieniu cienkiej warstwy metalicznego litu na przygotowany kolektor. W ten sposób wewnątrz baterii powstał dodatkowy zapas pierwiastka, którego zadaniem jest kompensowanie strat pojawiających się podczas pierwszych cykli pracy.

To istotne, ponieważ w konstrukcjach bezanodowych ilość dostępnego litu jest jednym z czynników ograniczających trwałość ogniwa. Każda nieodwracalna strata zmniejsza zasób materiału mogącego uczestniczyć w kolejnych reakcjach.

Podczas początkowego osadzania litu w zmodyfikowanej warstwie powstała również trójwymiarowa struktura zawierająca cynę oraz stop litu z cyną. Zdaniem autorów badań może ona pomagać w kompensowaniu zmian objętości i kształtu materiałów zachodzących podczas ładowania i rozładowywania.

W rezultacie możliwe staje się utrzymywanie stabilniejszego kontaktu pomiędzy poszczególnymi warstwami ogniwa.

Zaledwie 2,77 mikrometra grubości i 235,13 Wh/l

Prototypowa bateria została wykonana z wykorzystaniem katody opartej na tlenku litowo-wanadowym, stałego elektrolitu LiPON (litowego tlenoazotku fosforu) oraz miedzianego kolektora pokrytego opracowaną powłoką.

Najbardziej charakterystycznym parametrem konstrukcji jest jej grubość wynosząca 2,77 µm, czyli 0,00277 mm. Dla porównania przeciętny ludzki włos ma grubość liczoną w dziesiątkach mikrometrów.

Podczas testów odnotowano objętościową gęstość energii na poziomie 235,13 Wh/l w setnym cyklu pracy. Pomiar wykonano przy współczynniku 0,01 C, odpowiadającym bardzo wolnemu tempu ładowania lub rozładowywania.

Warto podkreślić, że uzyskany wynik dotyczy określonych warunków laboratoryjnych. Nie oznacza jeszcze, że bateria zachowa identyczne właściwości przy znacznie większych obciążeniach lub w gotowym urządzeniu elektronicznym.

Dane pokazują jednak, że odpowiednie zarządzanie osadzaniem litu i jego dostępnym zapasem może poprawiać parametry ultracienkich ogniw ze stałym elektrolitem.

Gdzie mogą znaleźć zastosowanie ultracienkie baterie?

Nowa architektura jest szczególnie interesująca dla urządzeń, w których przestrzeń przeznaczona na zasilanie jest mocno ograniczona. Dotyczy to między innymi inteligentnych plastrów monitorujących stan zdrowia, miniaturowych czujników internetu rzeczy (IoT), elektroniki ubieralnej oraz wybranych urządzeń medycznych.

W takich zastosowaniach liczy się nie tylko pojemność baterii, ale również jej grubość, możliwość integracji z układami elektronicznymi i stabilność działania.

Opracowana przez koreańskich naukowców technologia wskazuje ponadto możliwy kierunek rozwoju większych baterii bezanodowych ze stałym elektrolitem. Kontrolowanie procesów na granicach warstw materiałowych jest bowiem jednym z wyzwań, przed którymi stoją konstruktorzy tej klasy akumulatorów.

Nie oznacza to jednak, że rozwiązanie można już bezpośrednio przenieść do akumulatorów samochodów elektrycznych czy przemysłowych magazynów energii. Wymagałoby to dalszych badań, między innymi nad skalowaniem produkcji, szybkością ładowania, trwałością i zachowaniem ogniw przy większym obciążeniu.

Ważny krok w rozwoju baterii ze stałym elektrolitem

Osiągnięcie zespołu z Uniwersytetu Dongguk pokazuje, że poprawa właściwości akumulatorów nie zawsze wymaga opracowania zupełnie nowych materiałów elektrodowych. Duże znaczenie może mieć także precyzyjne zaprojektowanie obszaru, w którym zachodzą reakcje elektrochemiczne.

Połączenie dwóch warstw funkcjonalnych z dodatkowym zapasem litu pozwoliło badaczom jednocześnie wpłynąć na sposób jego osadzania oraz ograniczyć skutki nieodwracalnych strat.

Na obecnym etapie jest to rozwiązanie badawcze, a nie gotowa technologia do produkcji masowej. Uzyskane parametry stanowią jednak interesujący punkt wyjścia do dalszej miniaturyzacji źródeł energii.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie naukowym „Advanced Energy Materials”, a Uniwersytet Dongguk poinformował o osiągnięciu 3 listopada 2026 roku.