Ученые из Японии поставили рекорд проводимости среди безопасных твердых электролитов для батарей
Как ученым удалось заставить литий двигаться быстрее внутри твердой батареи?
Полина ТихоноваАвтор Hi-Tech Mail
Исследователи из Университета Нагои в Японии подняли ионную проводимость безопасного твердого электролита LLNOF до рекордных 16,3 мСм/см — это самый высокий показатель среди всех оксидных твердых электролитов. Работу опубликовали в Journal of the American Chemical Society.
Если представить батарею как дорогу, по которой во время зарядки и разрядки ездят ионы лития, в обычном твердом электролите эта дорога получается довольно «медленной». Ионам сложно пробираться через кристаллическую структуру. Японские ученые нашли способ перестроить ее так, чтобы литий двигался гораздо быстрее.
В 2024 году та же команда открыла оксифторидный кристалл с формулой Li2–xLa(1+x)/3Nb2O6F, сокращенно LLNOF, с необычно высокой на тот момент проводимостью 7 мСм/см — сопоставимой с жидкими электролитами. Затем ученые изменили состав кристалла, снизив параметр x (долю вакантных позиций в решетке относительно лития и лантана), и подняли проводимость больше чем вдвое.
Ведущий автор работы Такэси Ядзима объяснил разницу между двумя типами безопасных материалов так: оксифториды безопаснее сульфидных электролитов, но обычно уступают им в проводимости, а сульфиды проводят ток лучше, но при контакте с влагой способны выделять токсичные газы. Работа его команды показывает, что этим приходится жертвовать не всегда.
Ученые нашли новый механизм переноса ионов: когда ион лития перескакивает в свободную позицию решетки, соседний ион фтора сдвигается в сторону, которую покинул литий. Это снижает энергетический барьер для следующих перескоков и фактически прокладывает литию путь через кристалл. Раньше считалось, что высокая проводимость требует легко деформируемых отрицательных ионов, характерных именно для сульфидов, — новый механизм показывает, что это не единственный путь.
Чтобы вырастить достаточно крупные монокристаллы для анализа, команда больше года применяла метод Бриджмена, а затем изучила атомную структуру с помощью монокристальной дифракции. По словам Ядзимы, открытый механизм не зависит от конкретного состава LLNOF и может пригодиться для разработки других, еще более эффективных твердых оксидных электролитов — ключевого компонента безопасных литий-ионных батарей будущего.
Обычные литий-ионные батареи используют жидкий электролит. Именно из-за него аккумуляторы могут загореться при сильном ударе или коротком замыкании, а со временем теряют емкость. Поэтому через несколько лет смартфон или электромобиль держит заряд хуже.
В твердотельных батареях жидкий электролит заменяют твердым материалом. Это должно сделать аккумуляторы безопаснее и долговечнее, а также позволить хранить больше энергии в том же объеме и быстрее заряжаться. Поэтому технологией активно занимаются крупнейшие автопроизводители: Toyota рассчитывает выпустить первые электромобили с такими батареями в 2027–2028 годах, а Volkswagen через QuantumScape — ближе к концу десятилетия.
Ранее мы писали о том, что российские специалисты решили серьезную проблему растрескивания твердотельных батарей с помощью серебра.
ФизикаПоделиться
