В поисках идеальной батареи ученые преследуют две основные цели: создать устройство, способное хранить большое количество энергии и делать это безопасно. Многие батареи содержат жидкие электролиты, которые потенциально легко воспламеняются.

В результате твердотельные литий-ионные батареи, состоящие из полностью твердых компонентов, становятся все более привлекательными для ученых, поскольку они предлагают заманчивое сочетание более высокой безопасности и повышенной плотности энергии — именно столько энергии батарея может хранить в течение одного заряда. заданный объем.

Исследователи из Университета Ватерлоо, Канада, которые являются членами Объединенного центра исследований в области хранения энергии (JCESR), со штаб-квартирой в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), обнаружили новый твердый электролит, который предлагает несколько важных преимуществ.

Этот электролит, состоящий из лития, скандия, индия и хлора, хорошо проводит ионы лития, но плохо проводит электроны. Эта комбинация необходима для создания полностью твердотельной батареи, которая работает без существенной потери емкости в течение более ста циклов при высоком напряжении (выше 4 вольт) и тысяч циклов при промежуточном напряжении. Хлоридная природа электролита является ключом к его стабильности при рабочих условиях выше 4 вольт, что означает, что он подходит для типичных катодных материалов, которые составляют основу современных литий-ионных элементов.

«Главная привлекательность твердотельного электролита заключается в том, что он не может загореться и позволяет эффективно разместить его в ячейке батареи; мы были рады продемонстрировать стабильную работу при высоком напряжении», — сказала Линда Назар, заслуженный профессор-исследователь. Химии в Университете Ватерлоо и давний член JCESR.

Текущие версии твердотельных электролитов в значительной степени сосредоточены на сульфидах, которые окисляются и разлагаются при напряжении выше 2,5 вольт. Следовательно, они требуют включения изолирующего покрытия вокруг материала катода, которое работает при напряжении выше 4 вольт, что ухудшает способность электронов и ионов лития перемещаться из электролита в катод.

«С сульфидными электролитами у вас возникает своего рода головоломка — вы хотите изолировать электролит от катода электронным способом, чтобы он не окислялся, но вам все еще требуется электронная проводимость в материале катода», — сказал Назар.

Хотя группа Назара не была первой, кто изобрел хлоридный электролит, решение заменить половину индия на скандий, основанное на их предыдущей работе, оказалось выигрышным с точки зрения более низкой электронной и более высокой ионной проводимости. «Хлоридные электролиты становятся все более привлекательными, потому что они окисляются только при высоких напряжениях, а некоторые из них химически совместимы с лучшими катодами, которые у нас есть», — сказал Назар. «Недавно сообщалось о нескольких из них, но мы разработали один с явными преимуществами».

Один из химических ключей к ионной проводимости лежит в перекрещивающейся трехмерной структуре материала, называемой шпинелью. Исследователи должны были сбалансировать два конкурирующих желания: загрузить шпинель как можно большим количеством ионов, несущих заряд, но также оставить участки открытыми для движения ионов. «Вы можете думать об этом, как о попытке устроить танец — вы хотите, чтобы люди пришли, но вы не хотите, чтобы было слишком много народу», — сказал Назар.

По словам Назар, идеальной ситуацией было бы, чтобы половина мест в структуре шпинели была занята литием, а другая половина оставалась открытой, но она объяснила, что создать такую ​​ситуацию сложно.

В дополнение к хорошей ионной проводимости лития, Назар и ее коллеги должны были убедиться, что электроны не могут легко перемещаться через электролит, чтобы вызвать его разложение при высоком напряжении . «Представьте себе игру в классики», — сказала она. «Даже если вы просто пытаетесь перепрыгнуть с первого квадрата на второй, если вы можете создать стену, которая затрудняет перепрыгивание электронов, в нашем случае, это еще одно преимущество этого твердого электролита. »

Назар сказал, что пока неясно, почему электронная проводимость ниже, чем у многих хлоридных электролитов, о которых сообщалось ранее, но это помогает установить чистую поверхность раздела между материалом катода и твердым электролитом , факт, который в значительной степени отвечает за стабильную работу даже при больших количествах. активного вещества в катоде .

Статья, основанная на исследовании «Высокая емкость, длительный срок службы 4-вольтовых керамических полностью твердотельных литий-ионных аккумуляторов на основе хлористых твердых электролитов», появилась в онлайн-издании Nature Energy от 3 января .

Другими авторами статьи являются аспирант Назара, Лайдонг Чжоу, член JCESR, ответственный за большую часть работы, а также Се Ён Ким, Чун Юэн Квок и Абдельджалил Ассуд, все из Университета Ватерлоо. Среди других авторов были Тонг-Тонг Зуо и профессор Юрген Янек из Университета Юстуса Либиха, Германия, и Цян Чжан из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики.