Новые электролиты могут стать революцией в производстве батарей: что придумали ученые
Физики сделали твердотельный аккумулятор с хорошими характеристиками и невысокой себестоимостью, что открывает путь к внедрению новой технологии.
Группа ученых сообщили о разработке нового твердого электролита с исключительной проводимостью, который может стать основой для улучшения аккумуляторов. Статья об исследовании появилась в журнале Science.
Самой большой проблемой современных батарей, которые используются в популярных гаджетах, таких как смартфоны, являются жидкие электролиты, которые могут загораться или взрываться. Поэтому физики по всему миру пытаются заменить опасные жидкости на твердотельные вещества, но у них есть свой крупный недостаток — низкая ионная проводимость, механическая гибкость и электрохимическая стабильность.
В прошлом ученые заметили высокий потенциал твердых электролитов на основе хлоридов, которые соответствовали этим трем параметрам, вот только для производства нужны были дорогие редкоземельные металлы: иттрий, скандий и элементы лантаноидов, в качестве вторичных компонентов. Этот фактор делает производство таких батарей крайне невыгодным для промышленности. Кроме того, в некоторых случаях ионная проводимость хлоридных электролитов сильно снижалась.
Недавно команда во главе с профессором Кан Кисуком из Центра исследований наночастиц Института фундаментальных наук (IBS) изучила распределение ионов металлов в хлоридных электролитах, чтобы проверить теорию, согласно которой низкая проводимость связана с изменением расположения ионов металлов. Они провели эксперименты с распространенным соединением — хлоридом металлического лития и обнаружили: когда ионы металлов располагались вблизи пути ионов лития, электростатические силы создавали препятствия для их движения. И наоборот, если плотность ионов металла была слишком низкой, путь для ионов лития становился слишком узким, что затрудняло их перемещение.
Исследователи придумали, как исправить ситуацию, чтобы разработать твердый электролит с высокой ионной проводимостью. Затем они создали твердотельную литий-металл-хлоридную батарею на основе достаточно недорогого циркония. Это был первый случай, когда удалось показать влияние расположения ионов металлов на ионную проводимость материала.
Исследование продемонстрировало важную роль распределения ионов металлов в ионной проводимости твердых электролитов на основе хлоридов, которую ученые часто упускают из виду. Команда ожидает, что их открытие поможет разработать различные твердые электролиты на основе хлоридов и развивать внедрение твердотельных батарей на коммерческом уровне, чтобы в ближайшем будущем аккумуляторы стали доступнее и надежнее.
"Этот недавно открытый твердый электролит на основе хлоридов способен преодолеть ограничения традиционных твердых электролитов на основе сульфидов и оксидов, приближая нас на один шаг к широкому распространению твердотельных батарей", — отметил один из авторов статьи Кан Кисук.
Ранее писали, что ученые из США устранили другой недостаток твердотельных батарей — дефекты электролитов. Иногда в пленках материала появляются крошечные пузырьки, которые замедляют зарядку. Чтобы это исправить, исследователи додумались поддавать электролиты термической обработке.