Как сделать так, чтобы обычный литий-ионный аккумулятор имел большую емкость, но при этом сам был легким и компактным? Этот вопрос заботит многих инженеров высокотехнологичных компаний. Именно от размера и емкости аккумулятора зависит то, насколько тяжелым окажется ноутбук, сколько будет работать без подзарядки смартфон, как далеко уедет электрокар.

Сегодня стандартные способы производства литий-ионных аккумуляторов не позволяют существенно снизить их вес или размер без потери в емкости батареи. Чтобы добиться этого результата, необходимо изменить технологию создания тех или иных элементов аккумулятора.

«Стандартный литий-ионный аккумулятор напоминает сэндвич, состоящий из нижнего токосъемника, на котором располагается катодный материал, — рассказывает аспирант лаборатории SCAMT Университета ИТМО Денис Колчанов. — Дальше идет слой сепаратора, который пропитан электролитом, и слой анодного материала, который принимает в себя ионы лития с катода, и поверх идет слой меди как верхнего токосъемника. В научных образцах это повторяется один раз, в коммерческих образцах такая структура повторяется сотни и тысячи раз».

Напечатать катод на принтере

Группа петербургских ученых, в которую вошли ученые Университета ИТМО, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, предложила технологию, с помощью которой толщину слоя катодного материала можно уменьшить в 10, а то и в 20 раз. Таким образом удастся либо снизить размер и вес всего аккумулятора, либо добиться того, что в нем будет запасаться больше энергии при тех же габаритах.

«Мы разработали чернила для струйной печати катодного материала, — рассказывает Денис Колчанов, являющийся соавтором статьи. — У нас получилось нанести на токосъемник слой толщиной около 5 микрометров. Сейчас в промышленных образцах используются катодные материалы толщиной в 100 микрометров. Лабораторные образцы, созданные по другим технологиям, дают толщину в 50 микрометров. Таким образом, нам удалось снизить толщину в 10 – 20 раз. Еще меньше сделать слой при такой технологии не получится, иначе возникнет короткое замыкание».

В настоящий момент, ученые подтвердили работоспособность напечатанного катодного материала, чтобы показать, что технология может позволить создать работающий элемент питания меньших размеров при сходных характеристиках.

Гибкая энергия

В теории разработка может иметь и еще один полезный эффект. Печать на принтере сверхтонких токоприемников с катодным материалом может позволить создать гибкий элемент питания, который не деформируется при изгибе. Это важно, поскольку сегодня перед высокотехнологичными компаниями стоит непростая задача: с одной стороны, пользователи хотят, чтобы их гаджеты были легкими и компактными, с другой — людям нравится смотреть фото и видео с как можно большого экрана. Кроме того, растет спрос на устройства-трансформеры, которые можно использовать и как планшеты, и как ноутбуки. Решить эти задачи призваны как раз складные и раздвижные гаджеты. Презентации таких устройств стали важными событиями прошедшей в начале года выставки CES-2020.

Чтобы создать такое устройство, инженерам нужно поломать голову не только над экраном, корпусом, но и над размещением стандартного литий-ионного аккумулятора. В идеале батарея планшета-трансформера сама должна гнуться вместе с корпусом.

«Наша разработка в теории может применяться для гибкой электроники, — поясняет Колчанов, — Есть большая вероятность, что тонкие электроды окажутся более гибкими, поскольку не будут деформироваться при сгибании. Это позволит использовать их в устройствах-трансформерах».