Гибкий листовой электролитный – это прорыв для современных литий-металлических батарей

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый метод изготовления гибких электролитических листов на основе керамики для литий-металлических батарей. Они объединили керамику гранатового типа, полимерное связующее и ионную жидкость, в результате чего был получен квазитвердый листовой электролит. Синтез проводится при комнатной температуре, требуя значительно меньше энергии, чем существующие высокотемпературные (> 1000 ° C) процессы. Он работает в широком диапазоне температур, что делает его перспективным электролитом для аккумуляторов, например, в электромобилях.

Ископаемые виды топлива отвечают большинству мировых потребностей в энергии, включая электроэнергию, которую мы используем. Но ископаемое топливо истощается, и сжигание его также приводит к прямому выбросу углекислого газа и других загрязнителей, таких как токсичные оксиды азота, в атмосферу. Существует глобальный спрос на более чистые возобновляемые источники энергии. Но основные источники возобновляемой энергии, такие как ветер и солнечная энергия, часто бывают непостоянными – ветер не дует постоянно, а солнце не светит ночью. Таким образом, передовые системы накопления энергии должны более эффективно использовать возобновляемые источники энергии. Литий-ионные аккумуляторы оказали глубокое влияние на современное общество, питая широкий спектр портативной электроники и бытовой техники, таких как беспроводные пылесосы, с момента их коммерциализации Sony в 1991 году. Но использование этих аккумуляторов в электромобилях все еще требует существенного улучшения емкости и безопасности современной литий-ионной технологии.

Это привело к возрождению исследовательского интереса к литий- металлическим батареям: литий-металлические аноды имеют гораздо более высокую теоретическую емкость, чем графитовые аноды, используемые в настоящее время в коммерческих целях. Все еще существуют технологические препятствия, связанные с металлическими анодами лития. Например, в батареях на жидкой основе могут расти литиевые дендриты (наросты), которые могут вызвать короткое замыкание батареи и даже привести к пожарам и взрывам.

Вот где появились твердотельные неорганические электролиты: они значительно безопаснее, а керамика со структурой, более известная как LLZO, в настоящее время широко рассматривается как перспективное твердое вещество. Состояние электролитного материала за его высокую ионную проводимость и совместимость с металлическим литием. Однако для производства электролитов LLZO высокой плотности требуются очень высокие температуры спекания, вплоть до 1200 ° C. Это не только энергоэффективно, но и требует много времени, что затрудняет крупномасштабное производство электролитов LLZO. Кроме того, плохой физический контакт между хрупкими электролитами LLZO и материалами электродов обычно приводит к высокому межфазному сопротивлению, что значительно ограничивает их применение в полностью твердотельных литий-металлических батареях.

Таким образом, команда под руководством профессора Киеси Канамуры из Токийского столичного университета намеревалась разработать гибкий композитный листовой электролит LLZO, который можно получать при комнатной температуре. Они наносят керамическую суспензию LLZO на тонкий полимерный субстрат, как масло для тостов. После сушки в вакуумной печи листовой электролит толщиной 75 микрон вымачивали в ионной жидкости (IL) для улучшения его ионной проводимости. IL представляют собой соли, которые являются жидкими при комнатной температуре, которые обладают высокой электропроводностью, в то время как они почти не воспламеняются и не являются летучими. Внутри листов IL успешно заполнил микроскопические пробелы в структуре и перекрыл частицы LLZO, образуя эффективный путь для ионов Li. Они также эффективно снижали межфазное сопротивление на катоде. При дальнейшем исследовании они обнаружили, что ионы Li диффундируют через частицы как IL, так и LLZO в структуре, подчеркивая роль, которую играют оба компонента. Синтез прост и подходит для промышленного производства: весь процесс проводится при комнатной температуре без необходимости высокотемпературного спекания.

Хотя проблемы остаются, команда говорит, что механическая прочность и работоспособность гибкого композитного листа в широком диапазоне температур делает его перспективным электролитом для литий-металлических батарей. Простота этого нового метода синтеза может означать, что мы увидим литий-металлические батареи большой емкости на рынке раньше, чем мы думаем.