Прорыв в мире батарей: твёрдые электролиты заменят жидкие в литий-ионных аккумуляторах

Ученые из бразильского Института инноваций SENAI в области электрохимии в Куритибе совершили значительный прорыв в технологии литий-ионных аккумуляторов, разработав инновационный твердотельный электролит, способный заменить традиционные легковоспламеняющиеся жидкие электролиты.  Это открытие имеет потенциал для революционизации рынка портативных электронных устройств, электромобилей и систем хранения энергии, значительно повышая безопасность и производительность этих устройств.

Проблема безопасности жидких электролитов в литий-ионных батареях является давно известной и серьезной.  Жидкие электролиты, являющиеся проводниками ионов лития,  высоковолатильны и легко воспламеняются при повреждении батареи или перегреве, что приводит к утечкам электролита, возгораниям и даже взрывам.  Это обстоятельство существенно ограничивает  распространение литий-ионных батарей в различных сферах применения, особенно там, где необходима повышенная надежность и безопасность, например, в авиации или медицинской технике.

Доктор Ширли Рейс и ее команда разработали композитный твердотельный электролит, представляющий собой уникальную смесь керамического и полимерного материала.  Керамическая составляющая – это оксид граната ниобия, легированный цирконием (LLZO, Lithium Lanthanum Zirconium Oxide).  Niobium (ниобий) –  металл с высокой химической и термической стабильностью, обладающий уникальными электронными свойствами, что делает его идеальным кандидатом для применения в высокопроизводительных твердотельных электролитах.  Выбор именно LLZO обусловлен его высокой ионной проводимостью для ионов лития при комнатной температуре, что является критическим параметром для эффективной работы батареи. Легирование цирконием улучшает кристаллографическую структуру LLZO, повышая его стабильность и проводимость.

Полимерная составляющая, полиэтиленоксид (PEO), обеспечивает гибкость и механическую прочность композита.  PEO сам по себе является ионным проводником, но его проводимость при комнатной температуре недостаточно высока.  Сочетание PEO и LLZO создает синергетический эффект:  керамические частицы обеспечивают высокую проводимость, а полимерная матрица обеспечивает механическую целостность и адгезию к электродам.  Пропорции компонентов тщательно оптимизированы для достижения максимальной эффективности и безопасности.

Пятилетнее сотрудничество Института SENAI с Бразильской металлургической и горнодобывающей компанией (CBMM), крупнейшим в мире производителем ниобия, сыграло решающую роль в этом проекте. CBMM обеспечила доступ к высококачественному сырью, необходимому для производства LLZO, что ускорило процесс разработки и оптимизации композитного электролита.

Результаты многочисленных экспериментов показали, что разработанный композитный электролит обладает высокой ионной проводимостью, превосходной гибкостью и стабильностью при высоких напряжениях.  Батареи с этим электролитом сохраняют значительную часть своей емкости даже после сотен циклов зарядки-разрядки, что подтверждает его долговечность и надежность.  Более того, использование этого электролита открывает перспективы для применения высоконикелевых катодов, которые обладают значительно большей энергетической плотностью по сравнению с традиционными катодами, но требуют более стабильного электролита для предотвращения деградации.

Дальнейшие исследования будут сосредоточены на оптимизации состава и структуры композитного электролита, масштабировании производства и интеграции его в коммерческие литий-ионные батареи.  Ученые также планируют исследовать возможность использования других полимерных материалов и легирующих добавок для дальнейшего улучшения характеристик электролита, например,  изучение влияния различных функциональных добавок к PEO, таких как LiTFSI (литиевая соль бис(трифторметансульфонил)имида), для повышения ионной проводимости.  Кроме того,  будет проведено детальное исследование механизма переноса ионов лития в композитном электролите с использованием современных методов спектроскопии и микроскопии.  Успех этого проекта может привести к созданию нового поколения безопасных и высокоэффективных литий-ионных батарей, способных удовлетворить растущие энергетические потребности человечества и ускорить переход к экологически чистым источникам энергии.