Сегодняшние литий-ионные батареи, которые стоят в телефонах, ноутбуках и электромобилях, содержат внутри легковоспламеняющуюся жидкость. При повреждении или перегреве она может загореться. Твердотельные литиевые батареи, в которых горючий жидкий электролит заменяется на негорючую керамику, считаются будущим отрасли. Одним из самых многообещающих материалов для твердых электролитов благодаря высокой ионной проводимости, стабильности на воздухе и низкой стоимости являются фазы составов LATP и LAGP (фосфаты лития-алюминия-титана и лития-алюминия-германия) со структурой типа NASICON.
Но у этих материалов есть «ахиллесова пята»: при прямом контакте с литием запускается необратимая химическая реакция, которая в процессе заряда аккумулятора приводит к образованию микроскопических металлических «игл» — литиевых дендритов — на границе «литий-керамика». Эти иглы (примерно в сто раз тоньше человеческого волоса) протыкают насквозь керамику и вызывают короткое замыкание. Более того, наличие характерных дефектов (пор и трещин) в фосфатной керамике при ее высокотемпературном синтезе также вызывает риск короткого замыкания в процессе прорастания дендритов из-за механического разрушения электролита.
Международная группа исследователей нашла решение сразу двух проблем.
Во-первых, они создали инновационный тонкий двухслойный интерфейс — защитный слой — между керамикой (твердым электролитом) и литием (литиевым анодом).
· Первый слой работает как изолятор, не пропуская электрический ток. Он не дает керамике вступать в опасную химическую реакцию с литием, тем самым предотвращая ее разрушение.
· Второй слой с добавлением углеродных нанотрубок и частиц золота помогает электрическому току распределяться равномерно — подобно тому, как вода из лейки со множеством отверстий орошает почву бережно и равномерно, в отличие от мощной струи из одного шланга. Это предотвращает образование тех самых опасных металлических «игл».
Этот слой наносится методом электроформования — процессом вытягивания тончайших полимерных волокон под действием электрического поля. Такая технология уже используется в промышленности при производстве фильтров и медицинских материалов, поэтому ее легко внедрить в массовое производство.
Во-вторых, команда ученых предложила эффективное решение для улучшения самой керамики, получив керамический электролит высокого качества (материал с оптимальной микроструктурой, которая обеспечивает высокую ионную проводимость). По сути, ученые смешали два вида керамического порошка — с крупными и мелкими частицами, по принципу, похожему на заполнение банки гравием и песком, где песок заполняет все пустоты между камнями.
В результате новый керамический материал стал гораздо плотнее, прочнее, а вместе с интерфейсом — химически и электрохимически устойчивым, термически высокостабильным, а значит — стал безопаснее и долговечнее.
Результаты тестов превзошли ожидания.
· Аккумуляторы с новым защитным слоем стабильно проработали более 1400 часов (при сверхнизком перенапряжении около 10 мВ при плотности тока 0.1 мА см⁻², стабильное циклирование при 1 мА см⁻²) — вдвое дольше, чем аналоги без защиты.
· После 100 циклов заряда-разряда аккумуляторы сохранили 95% своей первоначальной ёмкости (при 0.6 мА см⁻², показав кулоновскую эффективность 99,9%).
· При нагреве вплоть до 300°C (что значительно выше температуры плавления лития) незащищенный образец мгновенно треснул и разрушился из-за побочной химической реакции, а образец с новым защитным слоем сохранил структурную целостность и не вступил в реакцию с расплавленным металлом благодаря образованию защитной плёнки из аморфного углерода.
«Предложенная технология разработки твердотельной электролитной системы отличается не только эффективностью, но и масштабируемостью, что открывает путь к её реальному практическому использованию. Исследование лаборатории по разработке твердотельных аккумуляторов нового поколения научного центра «Идея» вносит значительный вклад в развитие технологии твердотельных аккумуляторов и ускоряет их внедрение в электромобили и другую технику нового поколения», — рассказал научный директор центра «Идея», член-корреспондент РАН Тагир Аушев.
«Результаты этих работ закладывают комплексную стратегию к созданию твердотельных литиевых аккумуляторов, сочетающую в себе как межфазный дизайн, так и дизайн керамического электролита типа NASICON. Следующий этап — переход от дисковых твердотельных макетов к полноразмерным прототипам аккумуляторов пакетного типа», — отметила руководитель лаборатории по разработке твердотельных аккумуляторов нового поколения научного центра «Идея» Олеся Капитанова.
Результаты работы опубликованы в научных изданиях Journal of Energy Chemistry и Journal of the European Ceramic Society.
Новый подход к созданию улучшенного керамического электролита основан на использовании наночастиц LATP и микрочастиц LAGP. Такое сочетание керамических порошков разных размеров позволяет эффективно уплотнить электролит по аналогии с Аполлониевой упаковкой сфер. Химическая реакция между LATP и LAGP при спекании керамики позволила подавить формирование пор и трещин в ней и получить новое поколение электролита состава LAGTP с улучшенными рабочими характеристиками — ионным транспортом и его долговечностью в процессе работы аккумулятора.
Научный центр перспективных междисциплинарных исследований «Идея» – некоммерческая организация, ведущая свою деятельность за счет добровольных пожертвований. Миссия центра – развитие науки и технологий через создание и использование современных инструментов поддержки исследований и разработок. Приоритетное научное направление: исследования в области нейронаук. Приоритетные технологические направления: блокчейн, искусственный интеллект, виртуальная и дополненная реальности.
.jpg)
