Литий-ионные батареи (LIB) широко используются в электроприборах и транспортных средствах. Коммерческие LIB состоят из раствора органического электролита, который считается необходимым для обеспечения их энергоэффективности. Однако обеспечение безопасности становится проблемой, которую трудно решить в условиях растущего спроса на рынке.

Хотя твердотельные батареи могут помочь смягчить проблемы безопасности, граница раздела между твердыми электродами и электролитом не способствует оптимальному переносу литий-ионов. Более того, расширение и усадка твердых электродов может нарушить стык и затруднить перенос ионов. Поэтому необходимо разработать эффективные твердотельные батареи со стабильным стыковым интерфейсом, который повысит их безопасность, практичность и производительность.

Чтобы преодолеть эти трудности, группа исследователей из Японии разработала невоспламеняющийся квазитвердый LIB, который может преодолеть ограничения обычных батарей. Исследование проводилось под руководством Рёсуке Кидо из Университета Дошиша и TDK Corporation, Япония, профессора Минору Инаба и профессора Такаюки Дои из Университета Дошиша, а также Ацуши Сано из TDK Corporation. Результаты исследования опубликованы в Journal of Energy Storage. Они также были опубликованы в томе 102 15 ноября 2024 года.

Рассказывая о своей работе, г-н Кидо, основной автор статьи, говорит:

Увеличение емкости активных материалов положительного и отрицательного электродов для достижения более высокой плотности энергии снижает производительность цикла и безопасность.

Разработанная нами огнестойкая квазитвердотельная батарея, сочетающая жидкий и твердый электролит, представляет собой более безопасную и долговечную альтернативу полностью твердотельным батареям с высокой плотностью энергии.

Новая конструкция батареи включает отрицательный электрод из кремния (Si) и положительный электрод из LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811), которые считаются материалами нового поколения для LIB. Эти электроды разделены твердым литий-ионным проводящим стеклокерамическим листом (LICGC™) от OHARA. Для повышения совместимости и производительности исследователи разработали невоспламеняющиеся, почти насыщенные растворы электролита, адаптированные к каждому электроду. В растворах использовались трис (2,2,2-трифторэтил) фосфат и метил 2,2,2-трифторэтилкарбонат, которые были совместимы с электродами и твердым электролитным интерфейсом. Полученные квазитвердотельные мешочные ячейки класса 30 мАч продемонстрировали отличную ионную проводимость, термическую стабильность и электрохимические характеристики.

Далее исследователи оценили термическую стабильность и электрохимические характеристики квазитвердого LIB с помощью спектроскопии электрохимического импеданса, испытаний на заряд-разряд и калориметрии с ускорением скорости (ARC). Примечательно, что батарея продемонстрировала высокую емкость заряда/разряда с хорошими показателями цикличности и незначительным изменением внутреннего сопротивления. Более того, ARC-тест показал, что структура Si-LICGC-NCM811 с соответствующими растворами электролита демонстрирует улучшенную термическую стабильность, а выделение тепла, связанное с побочной реакцией, очень низкое даже в высокотемпературном диапазоне около 150 °C.

В целом, новый разработанный LIB обладает потенциалом для повышения эффективности и безопасности электромобилей нового поколения и беспроводных устройств, таких как дроны. Его широкое применение может не только повысить удобство использования, но и способствовать устойчивому экономическому росту.

В заключение г-н Кидо говорит о долгосрочных последствиях своей работы:

По мере того как мир движется к углеродной нейтральности, электромобили в последние годы привлекают все большее внимание. Очень важно разработать высокобезопасные автомобильные батареи с длительным сроком службы.

Квазитвердотельная батарея, созданная в ходе нашего исследования, способна улучшить долговечность жидкостных LIB и повысить плотность энергии, сохранив при этом безопасность полностью твердотельных батарей.

Исследование представляет собой шаг на пути к разработке решений следующего поколения для хранения энергии, которые обеспечивают баланс между безопасностью, эффективностью и экологической устойчивостью.

Ранее ученые выявили фактор, ограничивающий долговечность гибридных и электрических батарей для автомобилей.