Специалисты из Научно-технического университета Китая совершили значимый технологический прорыв, устранив одно из ключевых препятствий для массового внедрения твердотельных литиевых аккумуляторов — необходимость поддержания экстремально высокого внешнего давления в процессе их работы. В опубликованном исследовании представлен инновационный тип твердого электролита, гарантирующий стабильное функционирование батареи при значительно меньших нагрузках.
Твердотельные накопители энергии рассматриваются как перспективная замена традиционным литий-ионным батареям благодаря их высокой плотности энергии и повышенному уровню пожаробезопасности. Однако из-за твердой структуры всех компонентов для обеспечения надежного контакта между электродами и электролитом ранее требовалось давление в десятки и сотни мегапаскалей (МПа). Такие жесткие эксплуатационные требования делали использование технологии в реальных устройствах практически невозможным, ограничивая её лабораторными экспериментами.
Группа ученых под руководством профессора Ма Чэна синтезировала новый неорганический электролит на основе лития, циркония, алюминия, хлора и кислорода (химическая формула — 1.4Li2O-0.75ZrCl4-0.25AlCl3). В отличие от стандартных неорганических составов, включая сульфидные материалы, данная разработка отличается исключительной механической пластичностью. Сообщается, что модуль Юнга у нового материала составляет менее 25%, а твердость — менее 10% от показателей аналогичных решений, что позволяет ему легко деформироваться и подстраиваться под контактные поверхности.
Важно, что, несмотря на свою податливость, электролит сохраняет форму неорганического порошка и не переходит в состояние геля. Это делает его полностью совместимым с современными промышленными методами производства, такими как рулонная технология и каландрирование, предотвращая растекание материала при обработке. Используя метод «сухой» сборки, ориентированный на масштабное производство, исследователи создали прототипы пакетных ячеек с катодами из сплавов с высоким содержанием никеля и литий-металлическими анодами.
Электрохимические тесты подтвердили, что ионная проводимость нового состава при комнатной температуре превышает 2 миллисименса на сантиметр, что является оптимальным показателем для практического применения. Эти свойства позволили твердотельным элементам бесперебойно работать при внешнем давлении всего в 5 МПа. Это на порядок ниже значений, заявлявшихся ранее, при этом батареи сохраняют стабильность на протяжении сотен циклов заряда-разряда.
Отдельным преимуществом стала экономическая эффективность. В отличие от сульфидных электролитов, требующих дорогостоящего высокочистого сульфида лития, в новом составе в качестве основного сырья применяется тетрахлорид циркония. По расчетам авторов работы, стоимость материалов составит около 43,70 долларов за литр — менее 5% от стоимости производства широко используемых сегодня сульфидных твердых электролитов.
Источник: iXBT
