Модифицированный серой твердый электролит может улучшить перенос ионов лития в твердотельных батареях, одновременно снижая риск возгорания.
Исследователи из Университета штата Кеннесо разрабатывают модифицированный серой твердый электролит, предназначенный для улучшения движения ионов лития в твердотельных батареях, устраняя тем самым один из главных технических барьеров, препятствующих более широкому применению этой технологии.
В твердотельных батареях легковоспламеняющийся жидкий электролит, используемый в обычных литий-ионных элементах, заменяется твердым материалом, что снижает риск возгорания и повышает термическую стабильность.
Однако ионы лития движутся медленнее через твердые материалы, что ограничивает скорость зарядки и общую производительность.
Исследование возглавляет Бэйбэй Цзян, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, чья команда работает над созданием композитного твердого электролита, сочетающего в себе керамические и полимерные компоненты.
Модифицируя этот композит с помощью химических групп на основе серы, исследователи стремятся снизить сопротивление на границах раздела материалов и обеспечить более эффективное перемещение ионов лития.
«Наша цель — заменить все эти легковоспламеняющиеся компоненты, чтобы сделать батарею намного безопаснее», — сказал Цзян. «Удалив жидкий электролит и изменив конструкцию твердых материалов внутри батареи, мы можем снизить риск перегрева, короткого замыкания и возгорания, а также повысить производительность».
Твердотельные батареи широко рассматриваются как следующий шаг в развитии электромобилей, систем хранения энергии и бытовой электроники, однако медленный перенос ионов остается серьезной проблемой.
Команда Цзяна сосредоточилась на улучшении внутренней связи между различными твердыми материалами, а не на полной переработке архитектуры батареи.
Сглаживание пути лития
Команда исследователей ввела в композитный электролит химические группы на основе серы, улучшив связь между керамической и полимерной фазами. Это снизило межфазное сопротивление, позволив ионам лития свободнее перемещаться по твердой структуре.
«Ионы лития подобны автомобилям на шоссе, — сказал Цзян. — Наша модификация серы подобна сглаживанию этого шоссе, чтобы ионы лития могли двигаться быстрее, а это значит, что батарея может заряжаться быстрее и работать лучше».
В ходе экспериментов исследователи также выявили сильное взаимодействие между серой и цирконием в керамической части электролита.
По словам исследователей, это взаимодействие играет ключевую роль в наблюдаемом улучшении характеристик и ранее не было задокументировано в исследованиях твердотельных батарей.
«Мы — первая группа, предположившая наличие такого сильного взаимодействия между серой и цирконием, — сказал Цзян. — Мы считаем, что именно это взаимодействие является основной причиной наблюдаемого нами улучшения характеристик».
Открытие произошло неожиданно, когда студенты заметили, что реакция протекает гораздо быстрее, чем ожидалось, во время первых экспериментов. Вместо того чтобы отбросить результат, команда исследовала причину и скорректировала процесс, чтобы сделать его контролируемым.
«Это произошло почти случайно, — сказал Цзян. — Реакция произошла всего за несколько секунд и быстро вышла из-под контроля».
От лаборатории к клеткам
Большая часть работы проводится в лаборатории Цзяна в кампусе Университета штата Кеннесо в Мариетте, где студенты синтезируют материалы, собирают прототипы батарей и тестируют их характеристики, используя конструкции в виде дисковых элементов.
Проект финансируется за счет гранта Национального научного фонда в размере 200 000 долларов США, а также за счет внутренних средств, выделенных на начальный этап.
«Сейчас наша главная задача — доказать работоспособность, стабильность и надежность этой конструкции, — сказал Цзян. — Как только мы сможем это продемонстрировать, тогда и можно будет думать о масштабировании и производстве».
Хотя технология находится еще на ранней стадии развития, исследователи считают, что подход, основанный на использовании материалов, может быть адаптирован для целого ряда применений в батареях, если будет продемонстрирована долговременная стабильность и технологичность производства.
Sourse: interestingengineering.com
