Используя полимер для создания прочной, но упругой тонкой пленки, ученые под руководством Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики ускоряют появление твердотельных батарей следующего поколения. Эти усилия продвигают разработку электромобилей, работающих на основе гибких, прочных листов твердотельных электролитов.

Листы могут позволить масштабируемое производство будущих твердотельных батарей с электродами с более высокой плотностью энергии. Разделяя отрицательные и положительные электроды, они предотвратят опасные электрические замыкания, обеспечивая при этом высокопроводящие пути для движения ионов.

Эти достижения предвещают большую безопасность, производительность и плотность энергии по сравнению с существующими батареями, использующими жидкие электролиты, которые являются легковоспламеняющимися, химически активными, термически нестабильными и склонными к утечкам.

«Наше достижение может по меньшей мере удвоить запас энергии до 500 ватт-часов на килограмм», — сказал Гуан Ян из ORNL. «Главной мотивацией для разработки твердотельных электролитных мембран толщиной 30 микрометров или тоньше было желание вместить больше энергии в литий-ионные аккумуляторы , чтобы ваши электромобили, ноутбуки и мобильные телефоны могли работать гораздо дольше, не нуждаясь в подзарядке».

Работа, опубликованная в ACS Energy Letters, улучшила предыдущее изобретение ORNL, оптимизировав полимерное связующее для использования с сульфидными твердотельными электролитами. Это часть продолжающихся усилий по установлению протоколов для выбора и обработки материалов.

Целью данного исследования было найти «пятно Златовласки» — толщину пленки, которая идеально подходит для поддержания как ионной проводимости, так и структурной прочности.

Современные твердотельные электролиты используют пластиковый полимер, который проводит ионы, но их проводимость намного ниже, чем у жидких электролитов. Иногда полимерные электролиты включают жидкие электролиты для улучшения производительности.

Сульфидный твердотельный электролит имеет ионную проводимость, сравнимую с проводимостью жидкого электролита, который в настоящее время используется в литий-ионных аккумуляторах. «Это очень привлекательно», — сказал Ян. «Соединения сульфида создают проводящий путь, который позволяет литию перемещаться вперед и назад во время процесса заряда/разряда».

Исследователи обнаружили, что молекулярная масса полимерного связующего имеет решающее значение для создания прочных твердотельных электролитных пленок. Пленки, изготовленные с использованием легких связующих, имеющих более короткие полимерные цепи, не обладают достаточной прочностью, чтобы оставаться в контакте с электролитическим материалом.

Напротив, пленки, изготовленные с использованием более тяжелых связующих веществ, которые имеют более длинные полимерные цепи, обладают большей структурной целостностью. Кроме того, для изготовления хорошей ионно-проводящей пленки требуется меньше длинноцепочечного связующего вещества.

«Мы хотим минимизировать полимерное связующее, поскольку оно не проводит ионы», — сказал Ян. «Единственная функция связующего — закрепить частицы электролита в пленке. Использование большего количества связующего улучшает качество пленки, но снижает ионную проводимость. И наоборот, использование меньшего количества связующего улучшает ионную проводимость, но ухудшает качество пленки».

Ян разработал эксперименты исследования и руководил проектом, сотрудничая с Джагджитом Нандой, исполнительным директором SLAC Stanford Battery Center и Battelle Distinguished Inventor. Недавно Ян был признан Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США в сфере энергетики ученым, который, скорее всего, преуспеет в преобразовании инновационных идей в эффективные технологии.

Анна Миллс, бывшая аспирантка Florida A&M University-Florida State University College of Engineering, сосредоточилась на синтезе наноматериалов. Она тестировала тонкие пленки с помощью электрохимической импедансной спектроскопии и проводила измерения критической плотности тока.

Дэниел Холлинан из Университета Флориды консультировал по физике полимеров. Элла Уильямс, летняя стажерка из Университета Фрида-Хардемана, помогала с изготовлением и оценкой электрохимических ячеек.

В Центре нанофазных материаловедения, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США в ORNL, И-Фэн Су и Вань-Ю Цай провели сканирующую электронную микроскопию и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, чтобы охарактеризовать элементный состав и микроскопическую структуру тонкой пленки. Сергей Калнаус, также из ORNL, использовал наноиндентирование для измерения локального напряжения и деформации на ее поверхности и применил теорию для понимания результатов.

Сюэли Чжэн и Света Вайдьянатан из Национальной ускорительной лаборатории SLAC провели измерения на источнике синхротронного излучения Стэнфордского университета, чтобы выявить морфологию катодных частиц.

Эти передовые методы характеризации имели решающее значение для изучения сложных деталей листа твердотельного электролита сульфида. «Понимая эти детали, мы смогли улучшить способность электролита эффективно проводить ионы и поддерживать его стабильность», — сказал Ян. «Этот подробный анализ имеет решающее значение для разработки более надежных и эффективных твердотельных батарей».

Ученые расширяют возможности своего лабораторного пространства ORNL площадью 7000 квадратных футов, создавая зоны с низкой влажностью, предназначенные для исследований с сульфидами, которые, как правило, загрязняют другие материалы. «Чтобы решить эту проблему, нам нужны специальные перчаточные боксы в нашей химической лаборатории», — сказал Ян. «Во многих случаях может быть сложно выделить ресурсы для такого специализированного оборудования. В ORNL у нас есть восемь перчаточных боксов специально для этой работы».

Команда создаст устройство, которое может интегрировать тонкую пленку в отрицательные и положительные электроды следующего поколения, чтобы протестировать ее в условиях реальной батареи. Затем они будут сотрудничать с исследователями в промышленности, академических кругах и правительстве для разработки и тестирования пленки в других устройствах.

«Эта работа идеально соответствует возможностям национальной лаборатории», — сказал Ян, похвалив команды разнообразных экспертов, имеющих доступ к ценным материалам, инструментам для характеризации и специализированным помещениям.