Новый многослойный твердый электролит обеспечивает проводимость 10,2 мСм см⁻¹ и позволяет использовать батареи без высокого давления.
Группа китайских исследователей разработала гибкий композитный твердый электролит, который обеспечивает ионную проводимость, подобную жидкой, при работе без внешнего давления.
Это достижение может упростить конструкцию твердотельных литий-ионных батарей, которые обычно сталкиваются с проблемой компромисса между быстрой транспортировкой ионов и механической стабильностью.
Твердые электролиты считаются критически важными для обеспечения безопасности высокоэнергетических батарей, поскольку они заменяют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты.
Однако многие высокопроводящие твердые материалы хрупки и требуют значительного давления при упаковке для поддержания контакта между компонентами батареи.
Это увеличивает сложность и стоимость системы.
Новая конструкция устраняет это ограничение, разделяя ионную проводимость и механическую гибкость внутри слоистой структуры.
Вместо того чтобы полагаться на один материал для выполнения всех функций, команда разработала композитную архитектуру, в которой разные функции назначаются разным слоям.
Электролит состоит из чередующихся слоев перпендикулярно ориентированного LixMyPS3, обозначаемого как LiMPS, где M — Cd или Mn, и слоев полиэтиленоксида.
Неорганические нанолисты создают непрерывные суперионные каналы, а полимерные слои обеспечивают гибкость и помогают поддерживать тесный контакт электродов.
Достигнута проводимость на уровне жидкости
В ходе испытаний версия PA-LiCdPS/PEO достигла ионной проводимости 10,2 мСм см⁻¹ при 25 °C, что сопоставимо с показателями жидких электролитов.
Аналогичная структура с использованием марганца, PA-LiMnPS/PEO, достигла значения 6,1 мСм см⁻¹ при той же температуре, что демонстрирует работоспособность данной структурной концепции в различных химических средах.
Помимо проводимости, материал сохранял механическую гибкость. Эта гибкость позволяла элементам батареи компенсировать изменения объема электрода во время циклической работы без необходимости приложения большого внешнего давления.
Для нормального функционирования большинства твердых электролитов с высокой проводимостью требуется внешнее давление в диапазоне от нескольких до сотен МПа.
Исследователи продемонстрировали работу электролита в аккумуляторных элементах. Используя материал PA-LiCdPS/PEO, дисковые элементы Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, работающие при давлении ниже 0,5 МПа, сохранили 92% своей емкости после 600 циклов при 0,2 мА·см⁻².
Тот же электролит позволил также создавать безнапорные пакетные элементы Li||LiFePO4 при давлении в стопке ниже 0,1 МПа.
Работа от батареи без давления
Работа без высокого давления в аккумуляторной батарее устраняет необходимость в сложных приспособлениях и тяжелых зажимных системах. Это может упростить производство и облегчить масштабирование твердотельных аккумуляторных батарей.
Команда также устранила распространенный недостаток электролитов на основе сульфидов: чувствительность к воздуху. Традиционные сульфидные материалы могут разлагаться в течение нескольких минут во влажном воздухе, часто выделяя сероводород.
Напротив, электролиты PA-LiMPS/PEO сохранили высокую проводимость с незначительным выделением H2S после семи дней воздействия влажного воздуха.
Создав непрерывные суперионные каналы внутри биомиметической гибкой структуры, исследователи показали, что высокая ионная проводимость и механическая податливость не должны конкурировать друг с другом.
Вместо того чтобы жертвовать одним свойством ради улучшения другого, многоуровневая архитектура позволяет им сосуществовать.
Если этот подход окажется масштабируемым, он может приблизить твердотельные батареи к практическому применению в электромобилях и системах хранения энергии для электросетей, где безопасность, долговечность и упрощенная сборка имеют первостепенное значение.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Sourse: interestingengineering.com
