ChemM: Открыты новые материалы для безопасных и высокопроизводительных батарей

Полностью твердотельные литий-ионные батареи с твердым электролитом не воспламеняются и имеют более высокую плотность энергии и передаточное число, чем батареи с жидким электролитом. Ожидается, что они займут часть рынка традиционных литий-ионных батарей с жидким электролитом, например, в электромобилях.

Однако, несмотря на эти преимущества, твердые электролиты имеют более низкую литий-ионную проводимость и создают трудности в достижении адекватного контакта электрода с твердым электролитом. Хотя твердые электролиты на основе сульфидов являются проводящими, они реагируют с влагой, образуя токсичный дисульфид водорода. Поэтому для создания безопасных, высокопроизводительных и быстрозаряжающихся твердотельных литий-ионных аккумуляторов необходимы несульфидные твердые электролиты, которые были бы одновременно проводящими и стабильными на воздухе.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Chemistry of Materials 28 марта 2024 года, исследовательская группа под руководством профессора Кенджиро Фуджимото, профессора Акихиса Аими из Токийского научного университета и доктора Шухея Йошида из DENSO CORPORATION обнаружила стабильный и высокопроводящий литий-ионный проводник в виде оксифторида типа пирохлора.

По словам профессора Фудзимото, «создание полностью твердотельных литий-ионных вторичных батарей было давней мечтой многих исследователей аккумуляторов. Мы открыли оксидный твердый электролит, который является ключевым компонентом полностью твердотельных литий-ионных батарей, обладающих высокой плотностью энергии и безопасностью. Помимо того, что материал стабилен на воздухе, он обладает более высокой ионной проводимостью, чем ранее описанные оксидные твердые электролиты».

Оксифторид пирохлорного типа, изученный в данной работе, обозначается как Li2-xLa (1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). Его подвергли структурному и композиционному анализу с использованием различных методов, включая рентгеновскую дифракцию, анализ Ритвельда, оптико-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой и дифракцию электронов в выбранной области. В частности, был разработан Li1.25La0.58Nb2O6F, продемонстрировавший объемную ионную проводимость 7,0 мСм-см¹ и общую ионную проводимость 3,9 мСм-см¹ при комнатной температуре. Этот показатель оказался выше, чем литий-ионная проводимость известных оксидных твердых электролитов. Энергия активации ионной проводимости этого материала чрезвычайно низка, а ионная проводимость этого материала при низкой температуре является одной из самых высоких среди известных твердых электролитов, в том числе и на основе сульфидов.

Именно так, даже при температуре -10 °C новый материал имеет такую же проводимость, как и обычные твердые электролиты на основе оксидов при комнатной температуре. Кроме того, поскольку была подтверждена проводимость при температуре выше 100 °C, рабочий диапазон этого твердого электролита составляет от -10 °C до 100 °C. Обычные литий-ионные батареи нельзя использовать при температуре ниже нуля. Поэтому условия эксплуатации литий-ионных батарей для широко используемых мобильных телефонов составляют от 0 °C до 45 °C.

Был исследован механизм литий-ионной проводимости в этом материале. Путь проводимости структуры типа пирохлора охватывает ионы F, расположенные в туннелях, созданных октаэдрами MO6. Механизм проводимости заключается в последовательном перемещении ионов Li- при изменении связей с ионами F. Ионы Li движутся к ближайшей позиции Li, всегда проходя через метастабильные позиции. Неподвижный La3+, связанный с ионами F, препятствует проводимости ионов Li-, блокируя путь проводимости и исчезая из окружающих метастабильных позиций.

В отличие от существующих вторичных литий-ионных батарей, все твердотельные батареи на основе оксида не подвержены риску утечки электролита в результате повреждения и выделения токсичных газов, как в случае с батареями на основе сульфида. Поэтому ожидается, что эта новинка станет лидером будущих исследований.

Недавно открытый материал безопасен и обладает более высокой ионной проводимостью, чем ранее описанные твердые электролиты на основе оксидов. Применение этого материала перспективно для создания революционных батарей, способных работать в широком диапазоне температур, от низких до высоких, — считает профессор Фуджимото.

Мы считаем, что характеристики, необходимые для применения твердых электролитов в электромобилях, удовлетворены.

Примечательно, что новый материал отличается высокой стабильностью и не воспламеняется при повреждении. Он подходит для использования в самолетах и других местах, где безопасность имеет решающее значение. Он также подходит для использования в высокопроизводительных устройствах, таких как электромобили, поскольку может применяться при высоких температурах и поддерживает быструю зарядку. Кроме того, это перспективный материал для миниатюризации батарей, бытовой техники и медицинских приборов.

Таким образом, исследователи не только обнаружили литий-ионный проводник с высокой проводимостью и стабильностью на воздухе, но и представили новый тип суперионного проводника с оксифторидом типа пирохлора. Изучение локальной структуры вокруг лития, их динамических изменений в процессе проводимости и их потенциал в качестве твердых электролитов для полностью твердотельных батарей — важные области для будущих исследований.

02.04.2024


Подписаться в Telegram



Энергия

JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из ...

Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федеральног...

IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей

Исследователи из Национальной лаборатории...

Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%

Группа исследователей впервые продемонстрирова...

JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года

Ветряная электростанция, проработав менее двух...

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент

Не зря авиакомпании не разрешают сда...

Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы

Согласно результатам нового исследования, пров...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов

Новости компаний, релизы

40% профессионалов предпочитают работать удаленно с дачи
Гидрологи СПбГУ первыми в мире показали, что распределение микропластика в водах Ладожского озера зависит от температурного ...
Ученые Казанского аграрного университета нашли способ повысить урожайность картофеля в Татарстане
В Нижнем Новгороде проходит Шестой «ЯлФест-2024»
Президенту Узбекистана презентовали вертолет Ансат