Исследователи из Корейского передового института науки и технологий (KAIST), Национального университета Кёнгпук и Национального центра нанофабрикации разработали технологию, которая помогает решить одну из главных проблем безанодовых литий-металлических аккумуляторов — нестабильное осаждение лития и быстрое разрушение защитного слоя на поверхности электрода.
Вместо традиционного графитового анода такие аккумуляторы используют тонкую медную фольгу, на которой литий осаждается во время зарядки. Это позволяет уменьшить массу и объём ячейки и потенциально повысить её удельную энергоёмкость. Однако при многократных циклах зарядки и разрядки литий может распределяться по поверхности неравномерно, образуя игольчатые и ветвящиеся структуры — дендриты. Они ускоряют деградацию аккумулятора и могут повышать риск внутренних коротких замыканий.
Команда под руководством профессоров Джинву Ли и Хи-Тэ Джуна из KAIST предложила решить проблему за счёт наноструктурирования медного токосъёмника и нанесения на него сверхтонкого покрытия из MXene — двумерного материала. Результаты исследования опубликованы 1 сентября 2026 года в журнале Advanced Functional Materials.
Медная фольга с нанотрубчатой структурой
В обычном литий-ионном аккумуляторе анод содержит материал, например графит, в структуре которого при зарядке размещаются ионы лития. В безанодовой конструкции отдельный анодный материал отсутствует: металлический литий осаждается непосредственно на медный токосъёмник.
Такая архитектура позволяет сократить количество неактивных материалов и увеличить долю компонентов, участвующих в накоплении энергии. Но у неё есть существенный недостаток: при осаждении литий может концентрироваться на отдельных участках поверхности. Неравномерный рост литиевых структур и нестабильность межфазного слоя между электродом и электролитом приводят к потере активного лития и снижению ёмкости.
Ранее для компенсации потерь предлагалось добавлять в аккумулятор избыточное количество лития либо использовать более толстые защитные покрытия. Однако дополнительные материалы увеличивают массу и объём ячейки, ослабляя одно из основных преимуществ безанодной конструкции.
Вместо этого исследователи изменили саму поверхность медной фольги. С помощью технологии изготовления микро- и наноструктур, применяемой в полупроводниковой промышленности, они сформировали на ней массив микроскопических трубчатых структур.
Диаметр каждой трубки составляет около 300 нм, а высота — около 150 нм. Такая геометрия увеличивает площадь поверхности, доступную для осаждения лития, примерно в четыре раза по сравнению с плоской медной фольгой. Благодаря этому литий получает больше участков для равномерного зарождения и роста, а его локальное накопление становится менее выраженным.
Для создания структуры применялась технология вторичной литографии распылением — secondary sputtering lithography (SSL). Она позволяет формировать элементы нанометрового масштаба с высокой точностью.
Покрытие MXene формирует защитный слой
Одного изменения геометрии поверхности оказалось недостаточно: для увеличения срока службы необходимо также стабилизировать химические процессы на границе между литием и электролитом.
Поэтому исследователи нанесли на структурированную медь слой MXene толщиной около 10 нм. MXene — семейство двумерных материалов на основе переходных металлов, отличающихся характерной слоистой структурой и возможностью регулировать поверхностные свойства.
В предложенной конструкции MXene не просто служит готовым защитным барьером. Он способствует формированию устойчивого межфазного слоя непосредственно во время работы аккумулятора.
В использованном электролите на основе LiPF₆ — гексафторфосфата лития — поверхность MXene способствует взаимодействию с анионами электролита и образованию защитного слоя, обогащённого фторидом лития (LiF). Такой слой помогает ограничивать нежелательные реакции между металлическим литием и электролитом, а также подавлять неравномерный рост литиевых структур.
Чтобы изучить механизм формирования покрытия, команда исследовала поверхности электродов и их поперечные сечения, минимизируя контакт образцов с воздухом. Для анализа применялись рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), времяпролётная масс-спектрометрия вторичных ионов (ToF-SIMS) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM).
Полученные данные подтвердили формирование относительно равномерного защитного слоя вдоль поверхности MXene и помогли установить роль этого покрытия в стабилизации межфазной границы.
Что показали испытания аккумуляторов
Эффективность подхода проверили на полноценных безанодовых ячейках лабораторного формата с катодом NCM811 — материалом на основе никеля, кобальта и марганца. Испытания проводились при ограниченном количестве электролита, что позволяет оценить работу конструкции в условиях, более требовательных к стабильности аккумулятора.
После 125 циклов ячейка с наноструктурированным медным токосъёмником и покрытием MXene сохраняла удельную разрядную ёмкость 78,1 мА·ч/г. Для сопоставимой ячейки с обычной медной фольгой этот показатель составлял 44,9 мА·ч/г.
Кулоновская эффективность — отношение отданного заряда к полученному при зарядке — достигла 99,06% против 95,01% у контрольного образца. Более высокая эффективность указывает на уменьшение необратимых потерь заряда в процессе циклирования.
Эти результаты свидетельствуют о повышении стабильности исследованной конструкции, но пока не означают, что технология готова к применению в серийных автомобильных батареях. Испытания проводились на лабораторных ячейках, а для оценки практической перспективности потребуются более длительные циклические испытания, проверка безопасности и переход к аккумуляторам большего формата.
От лабораторной ячейки к электромобилю
По словам профессора Джинву Ли, исследование демонстрирует, как сверхточные технологии полупроводникового производства позволяют одновременно создать равномерные участки осаждения лития и способствовать формированию стабильного защитного слоя — без изменения основного состава электролита и добавления избыточного лития.
Если дальнейшие испытания подтвердят эффективность подхода, он может стать основой для создания безанодовых аккумуляторов с более высокой удельной энергоёмкостью. В перспективе это позволит уменьшить массу и объём батарейных блоков либо увеличить запас хода электромобиля при сопоставимых габаритах аккумулятора.
В исследовании участвовали учёные KAIST Ынджи Ким, Хёнджу Чжон и Джинук Ким, выступившие соавторами первой авторской группы, а также исследователи из Национального университета Кёнгпук и Национального центра нанофабрикации. Работа получила поддержку Национального исследовательского фонда Кореи и профильных программ развития нанотехнологий и полупроводниковой инфраструктуры.
Главный технологический вопрос теперь заключается в том, удастся ли перенести наноструктурирование медной фольги и нанесение MXene с лабораторных образцов на крупноформатные электроды, пригодные для массового производства. Высокая точность нанофабрикации сама по себе не гарантирует приемлемой стоимости и производительности промышленного процесса.
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261027063708.htm
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
