Революция в твердотельных батареях: они станут дешевле, а их выпуск — проще
Исследователи из Китайского университета науки и технологий сообщили о прорыве, который устраняет главное препятствие на пути практического применения твердотельных литиевых батарей: зависимость от чрезвычайно высокого внешнего давления во время работы. Результаты исследования описывают новый твердый электролит, который обеспечивает стабильную работу батареи при значительно более низком давлении.
Твердотельные литиевые батареи широко изучаются на предмет их потенциала в сочетании с более высокой плотностью энергии и повышенной безопасностью по сравнению с традиционными жидкостными литий-ионными батареями. Однако, поскольку и электролит, и электроды являются твердыми, предыдущие исследования показали, что для поддержания адекватного контакта между твердыми поверхностями обычно требуется внешнее давление в десятки и сотни мегапаскалей (МПа). Достичь таких уровней давления в практических аккумуляторных системах сложно, что в значительной степени ограничивает применение этой технологии лабораторными условиями.
Исследовательская группа под руководством профессора Ма Чэна разработала новый неорганический твердый электролит, состоящий из лития, циркония, алюминия, хлора и кислорода, химический состав которого описывается как 1.4Li2O-0.75ZrCl4-0.25AlCl3. По сравнению с распространенными неорганическими твердыми электролитами, включая материалы на основе сульфидов, новый электролит демонстрирует существенно меньшую механическую жесткость. Сообщается, что его модуль Юнга составляет менее 25% от модуля Юнга аналогичных материалов, а твердость — менее 10%, что позволяет ему легче деформироваться под воздействием давления.
Несмотря на такую механическую податливость, электролит остается в форме неорганического порошка, а не геля. Это обеспечивает совместимость с промышленными процессами, такими как рулонное производство и каландрирование под высоким давлением, избегая чрезмерного потока материала во время обработки. Используя метод сухого изготовления, подходящий для крупномасштабного производства, исследовательская группа собрала небольшие пакетные твердотельные аккумуляторные элементы, включающие тройные катоды из сверхвысоконикелевого сплава и литий-металлические аноды.
Электрохимические испытания показали, что электролит обеспечивает ионную проводимость выше 2 миллисименсов на сантиметр при комнатной температуре, что превышает уровень, обычно считающийся необходимым для практической работы батарей. Эти комбинированные свойства позволили твердотельным батареям стабильно работать при внешнем давлении в 5 мегапаскалей, что представляет собой значительное снижение по сравнению с ранее заявленными требованиями к давлению, при сохранении стабильной работы в течение нескольких сотен циклов заряда-разряда.
В исследовании также рассматривалась стоимость материалов. В отличие от твердых сульфидных электролитов, в основе которых лежит высокочистый сульфид лития, в новом электролите в качестве основного сырья используется тетрахлорид циркония. Исследователи оценивают стоимость материалов примерно в 43,70 долларов США за литр, что составляет менее 5% от стоимости распространенных твердых сульфидных электролитов.