Создано новое поколение литиевых батарей с впечатляющей стабильностью: будущее энергетики
Результатом открытия стал прототип батареи, который намного стабильнее своих предшественников.
Литий-металлические батареи рассматриваются как чрезвычайно захватывающая перспектива в области хранения энергии, поскольку чистый металлический литий обеспечивает невероятно высокую плотность энергии. Таким образом, использование его вместо графита и меди, из которых состоит один из электродов в современных батареях, может привести к значительному повышению производительности, позволяя, например, смартфонам работать в течение нескольких дней, а электромобилям — проезжать намного дальше без подзарядки.
Тем не менее, эти батареи до сих пор были ограничены проблемами стабильности, и один из способов, которым ученые работают над их преодолением, — это замена жидких компонентов на твердые. В конструкции, известной как твердотельные батареи, ионы лития, несущие заряд батареи, проходят через твердый электролит, а не через жидкий. Но и у такой конструкции есть свои недостатки, среди которых нестабильность на границе между твердым электролитом и электродами батареи.
Эксперименты с альтернативными материалами и другими конструктивными изменениями в последнее время привели к некоторым многообещающим достижениям: ученые продемонстрировали самособирающиеся защитные слои и маслообразную пасту в качестве потенциальных решений. Команда Токийского столичного университета подошла к этой проблеме иначе, создав «квазитвердотельный» электрод для использования в твердотельной литий-металлической батарее.
Как это работает
Исследователи работали с многообещающим потенциальным твердым электролитом под названием LLZO, который, как известно, относительно хорошо взаимодействует с литий-металлическими анодами, но вызывает высокое сопротивление при сопряжении с обычными катодами. Идея состояла в том, чтобы улучшить контакт и уменьшить сопротивление между твердым керамическим электролитом и катодом путем добавления дозы ионной жидкости комнатной температуры.
Легирование катода из оксида лития-кобальта ионной жидкостью заполнило крошечные пустоты на границе раздела между ним и твердым электролитом, что значительно уменьшило любое сопротивление и способствовало переносу ионов, поскольку ионная жидкость также обладает ионной проводимостью. Кроме того, в отличие от жидких электролитов, используемых в современных батареях, жидкость с ионной проводимостью является нелетучей и, как правило, негорючей.
Прототип батареи с этим новым квазитвердотельным катодом показал впечатляющую стабильность, сохраняя 80% своей емкости в течение 100 циклов зарядки и разрядки при высоких температурах – до 60 °C. Впрочем, команде еще предстоит проделать большую работу, чтобы превратить технологию в коммерческий продукт: например, отрегулировать состав ионной жидкости для предотвращения деградации, однако ученые рассматривают прорыв как основу для новых направлений в поисках твердотельных литий-металлических батарей.