автор: Ингрид Фаделли, Phys.org
Полностью твердотельные литий-металлические батареи (LMB) являются перспективными решениями для хранения энергии, которые включают литий-металлический анод и твердотельные электролиты (SSE), в отличие от жидких, используемых в обычных литиевых батареях. Хотя твердотельные LMB могут демонстрировать значительно более высокую плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями (LiB), содержащиеся в них твердые электролиты склонны к росту дендритов, что снижает их стабильность и безопасность.
Исследователи из Западного университета в Канаде, Мэрилендского университета в США и других институтов недавно разработали новый вакансионно-богатый и суперионный электролит твердого тела (SSE) β-Li 3 N. Электролит, о котором сообщалось в статье, недавно опубликованной в Nature Nanotechnology , может поддерживать стабильную цикличность полностью твердотельных LMB, что потенциально облегчает их коммерциализацию.
«Основной целью нашей работы была разработка литий-стабильных суперионных проводящих SSE для твердотельных LMB, в частности, с целью их применения в электромобилях (ЭМ)», — рассказал Phys.org Вэйхан Ли, первый автор статьи. «Рынок электромобилей переживает стремительный рост, но ключевым ограничением остается небольшой запас хода на одной зарядке — 300–400 миль, что в первую очередь обусловлено ограниченной плотностью энергии (~300 Вт·ч/кг) обычных литий-ионных аккумуляторов . Полностью твердотельные литий-металлические аккумуляторы представляют собой многообещающее решение этой проблемы, предлагая потенциал для достижения плотности энергии до 500 Вт·ч/кг, тем самым увеличивая запас хода до более чем 600 миль на одной зарядке».
До сих пор ключевой проблемой в разработке полностью твердотельных LMB была нехватка безопасных, надежных и высокопроизводительных SSE. Основной целью недавней работы Ли и его коллег было разработать новый электролит, который сочетал бы высокую стабильность по отношению к металлическому литию с высокой ионной проводимостью.
«Основываясь на нашем предыдущем понимании SSE, мы определили нитриды как класс материалов, которые стабильны по отношению к металлическому литию», — сказал Ли. «Однако обычные нитриды демонстрируют низкую ионную проводимость. Используя наши знания о механизмах литиевой проводимости, мы разработали богатый вакансиями β-Li 3 N SSE». В ходе первоначальных испытаний новый богатый вакансиями β-Li 3 N SSE, разработанный этой группой исследователей, продемонстрировал 100-кратное улучшение ионной проводимости и большую стабильность по сравнению с коммерческим Li 3 N. Таким образом, этот многообещающий материал может помочь преодолеть ограничения, обычно связанные с разработкой высокопроизводительных твердотельных ЛМБ.
«Наша конструкция богатого вакансиями β-Li 3 N была разработана на основе понимания механизмов проводимости ионов лития», — сказал Ли. «Дефекты в кристаллической структуре, такие как вакансии, могут снизить энергетические барьеры для миграции ионов лития и увеличить популяцию подвижных ионов лития».
Исследователи синтезировали богатый вакансиями β-Li 3 N SSE с помощью высокоэнергетического процесса шаровой мельницы. Этот процесс использовался для введения контролируемого количества вакансий в структуру материала, что в конечном итоге улучшило его свойства.
«Ионная проводимость вакансийно-богатого β-Li 3 N в 100 раз больше, чем у коммерческого Li 3 N», — пояснил Ли. «Он демонстрирует превосходную химическую стабильность по отношению к металлическому литию, что позволяет изготавливать долгоцикловые полностью твердотельные LMB. Материал также демонстрирует высокую стабильность в сухом воздухе, что делает его пригодным для промышленного производства в сухих помещениях».
Интегрировав недавно разработанный SSE в LMB, исследователи добились беспрецедентной ионной проводимости для SSE, достигшей 2,14 × 10−3 См см −1 при 25 °C. Симметричные аккумуляторные элементы на основе электролита достигли высокой критической плотности тока до 45 мА см −2 и высокой емкости до 7,5 мАч см −2 , а также сверхстабильных процессов удаления и гальванизации лития более 2000 циклов.
«Наше исследование достигло рекордной ионной проводимости и исключительной стабильности с металлическим литием для SSE», — сказал Ли. «Эти результаты имеют важное значение, поскольку они решают две из самых важных проблем в разработке полностью твердотельных LMB».
Новый материал, синтезированный этой группой исследователей, может открыть новые захватывающие возможности для изготовления полностью твердотельных LMB, потенциально увеличивая их плотность энергии и ускоряя их зарядку. Эти батареи в конечном итоге могут быть интегрированы в электромобили и другую большую электронику, чтобы продлить срок их службы и сократить время, необходимое для зарядки.
«В дальнейшем мои исследования будут сосредоточены на двух основных направлениях», — добавил Ли. «С одной стороны, я стремлюсь решить оставшиеся проблемы интерфейса в полностью твердотельных LMB для дальнейшего улучшения литий-ионной проводимости и продления срока службы аккумулятора. Это будет включать в себя углубленные исследования кинетики интерфейсных реакций и новые разработки материалов.
«В инженерном плане я планирую решать практические задачи, разрабатывая прототипы ячеек и коммерческие пакетные ячейки на основе богатого вакансиями β-Li 3 N. Это будет включать оптимизацию материала для крупномасштабного производства и его интеграцию в функциональные аккумуляторные системы, подходящие для реальных применений».
Дополнительная информация: Вэйхан Ли и др., Суперионный проводящий электролит β-Li 3 N с высоким содержанием вакансий для стабильной циклической работы полностью твердотельных литий-металлических батарей, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01813-z
Информация о журнале: Nature Nanotechnology
© 2024 Наука X Сеть