Полностью твердотельная батарея представляет собой вторичную батарею с твердым электролитом между анодом и катодом. Он считается представителем аккумуляторной технологии следующего поколения из-за его высокой плотности энергии и значительно более низкого риска возгорания и взрыва, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов.
В последние годы исследования материалов в области полностью твердотельных аккумуляторов были сосредоточены на стратегиях максимизации кристалличности материала для достижения ионной проводимости, аналогичной проводимости жидких электролитов (ионная проводимость 10 мСм/см или более). Однако этот подход требует стадии высокотемпературной кристаллизации (выше 500 ° C) в течение нескольких дней после смешивания или реакции материалов. Это привело к высоким затратам на процесс и проблемам с контактом интерфейса батареи из-за снижения механической деформации.
Исследовательская группа д-ра Хёнчула Кима из Исследовательского центра энергетических материалов Корейского института науки и технологий (KIST) объявила об успешном синтезе твердого электролита с суперионной проводимостью и высокой упругой деформируемостью в однореакторном процессе при комнатной температуре и нормальных условиях. давление. Это исследование привлекло внимание, потому что оно может максимизировать производительность полностью твердотельных аккумуляторных материалов и решить внутреннюю проблему интерфейса за счет улучшения упругой деформации. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Исследовательская группа доктора Кима сосредоточилась на кристаллографических особенностях аргиродитовых сульфидов, чтобы синтезировать твердотельный электролитный материал с высокой деформируемостью и ионной проводимостью при нормальных условиях температуры и давления. Теоретически ионная проводимость может быть максимизирована путем максимизации скорости замещения галогена в позициях 4a и 4c в кристалле аргиродита, но этот материал никогда не был практически синтезирован из-за его термодинамической нестабильности. Кроме того, типичные кристаллические аргиродитовые сверхпроводники требуют высокотемпературной термообработки выше 500 °C.
Следовательно, скорость замещения галогена не может быть максимизирована, а модуль упругости уменьшается с увеличением кристалличности, что приводит к быстрому ухудшению рабочих характеристик ячейки. Напротив, без высокотемпературной термической обработки можно получить низкий модуль упругости, подобный модульу упругости стекла; однако ионная проводимость остается около 3 мСм/см, что ограничивает его применимость в качестве твердотельного электролита.
Исследовательская группа разработала новую стратегию получения термодинамически нестабильной структуры (т. е. полностью галогенированного аргиродита), в которой используются как кристаллические, так и стеклообразные свойства. Они разработали метод контроля состава для снижения температуры кристаллизации аргиродита, а также новый двухэтапный процесс механохимического измельчения, подходящий для более низкой температуры кристаллизации. Это позволило синтезировать полностью галогензамещенный (~90,67% замещения) аргиродит с суперионной проводимостью ~13,23 мСм/см без длительного высокотемпературного отжига.
Синтезированный материал также обладает модулем упругости около 12,51 ГПа, что является одним из самых низких зарегистрированных значений для твердых электролитов с суперионной проводимостью, и это также выгодно для улучшения межфазных характеристик полностью твердотельных батарей. Более того, новый однореакторный процесс при комнатной температуре и нормальном давлении может быть завершен менее чем за 15 ч, что является самой высокой производительностью для любого твердого электролита с суперионной проводимостью. Это уникальное достижение, материалопроизводительность примерно в 2–6 раз выше, чем в традиционных процессах синтеза сверхпроводящих твердых электролитов.
«Нам удалось разработать новый твердый электролитный материал с высокой деформируемостью и ионной проводимостью с помощью нового процесса при нормальной температуре и давлении», — сказал доктор Ким из KIST, руководивший исследованием. Он также выразил свои ожидания, заявив: «Новый материал послужит толчком для коммерциализации полностью твердотельных аккумуляторов, подходящих для электромобилей и систем накопления энергии (ESS), поскольку он обеспечивает максимальную производительность материала за счет устранения высокотемпературного воздействия». термообработка и одновременно обладает высокой деформируемостью и суперионной проводимостьюподходит для решения проблемы интерфейса электродов полностью твердотельных аккумуляторов».
