Благодаря этому усовершенствованию, высокопроизводительные батареи теперь могут обойтись без громоздкого напорного механизма.
Исследователи из Корейского электротехнического научно-исследовательского института (KERI) разработали наночастицы олова в качестве промежуточного слоя, позволяющие твердотельным батареям эффективно работать при давлении 2 МПа.
Согласно исследованию, эти элементы достигли плотности энергии, превышающей 350 Вт·ч/кг. Этот уровень плотности энергии значительно выше, чем диапазон 150–250 Вт·ч/кг, обычно встречающийся в обычных литий-ионных батареях, используемых в современной электронике и электромобилях.
«Это выдающееся достижение мирового уровня, подчеркивающее потенциал твердотельных батарей для достижения максимальной производительности без увеличения веса систем или дополнительных затрат», — заявили исследователи в пресс-релизе.
Исследовательская группа сообщила, что крупногабаритные пакетные элементы, использующие этот промежуточный слой, сохранили более 81 процента своей емкости после 500 циклов заряда-разряда.
Снижая межфазное сопротивление и подавляя рост литиевых дендритов, эта технология устраняет основное механическое препятствие для коммерческого использования литиевых металлических анодов.
Эта разработка позволяет высокопроизводительным батареям работать без громоздкого оборудования для создания избыточного давления, которое часто добавляет чрезмерный вес и объем к аккумуляторным блокам электромобилей.
Преодоление технических барьеров в химии твердого состояния
«Твердотельные батареи считаются «батареей мечты» из-за значительно сниженного риска возгорания», — говорится в пресс-релизе. В них жидкие электролиты заменены твердыми материалами для минимизации пожарной опасности, хотя поддержание эффективного движения ионов между твердыми слоями остается технической проблемой.
«Межфазное сопротивление возникает из-за нестабильного физического контакта между твердым электролитом и материалами электрода, что препятствует эффективному переносу ионов», — поясняется в пресс-релизе.
Традиционные решения часто включают в себя приложение внешнего давления в десятки мегапаскалей или использование сложных процессов нанесения покрытий, что увеличивает производственные затраты и снижает эффективность упаковки.
Группа исследователей из KERI под руководством доктора Нам Ки-Хуна из Центра исследований аккумуляторных материалов и процессов нанесла тонкий слой наноразмерного оловянного порошка методом трансферной печати, чтобы создать дополнительный путь для переноса ионов и защитить литиевый анод от деградации во время циклической работы.
«Это уменьшает физическое повреждение литиевого металла за счет снижения межфазного сопротивления, а также служит путем переноса ионов, значительно снижая общее сопротивление элемента», — отметили исследователи.
Моделирование подтвердило результаты экспериментальной работы.
Экспериментальная работа была подкреплена моделированием на основе первых принципов, проведенным доктором Ким Юнго в Центре исследований батарей следующего поколения KERI. Эти моделирования позволили проследить, как сплавы на основе олова регулируют перенос лития на атомном и электронном уровнях, предоставив конкретные принципы проектирования для разработки будущих межслойных материалов.
Этот вычислительный подход снижает зависимость от метода проб и ошибок при выборе материалов и объясняет, как слой олова стабилизирует интерфейс и снижает общее сопротивление ячейки.
Доктор Нам Ки-Хун заявил, что исследование посвящено масштабируемости на больших площадях и стабильности межфазных границ, которые необходимы для коммерциализации твердотельных батарей. Потенциальные будущие области применения этой технологии включают электромобили, человекоподобную робототехнику и стационарные системы хранения энергии.
Руководитель проекта, д-р Ха Юн-Чхоль, добавил, что результаты свидетельствуют о прогрессе в обеспечении конкурентного преимущества в аккумуляторной отрасли и укреплении стратегических технологических возможностей.
Соавторами исследования выступили Ким Гарам и Им Со-Джон, и в Корее подана заявка на патент на технологию нанооловянного промежуточного слоя.
Полученные результаты представляют собой практический метод производства высокоемкостных батарей, сохраняющих стабильность в умеренных условиях эксплуатации, что упрощает переход от лабораторных прототипов к промышленному производству.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.
Sourse: interestingengineering.com
