Значительный прорыв в области твердотельных аккумуляторов был достигнут исследовательской группой под руководством проф. Ху Юншэн из Института физики (IOP) Китайской академии наук (CAS). Их исследование нового электролита из вязкоупругого неорганического стекла (VIGLAS) было опубликовано в журнале Nature Energy.
Твердотельные аккумуляторы, которые часто называют следующей революционной аккумуляторной технологией, предлагают многообещающее решение проблем безопасности, связанных с обычными жидкими литий-ионными батареями, при этом значительно повышая плотность энергии. Это технологическое достижение потенциально способно произвести революцию в ключевых отраслях промышленности, включая электромобили, накопители энергии и мобильные устройства.
Однако практическому внедрению твердотельных аккумуляторов препятствует ряд ограничений, связанных со стабильностью интерфейса и производственными затратами. Например, твердотельные аккумуляторы из органических полимеров демонстрируют впечатляющую механическую стабильность на границе раздела фаз, но им не хватает химической стабильности. Это ограничение ограничивает их энергетическую плотность, в первую очередь из-за проблем совместимости с высоковольтными катодами.
С другой стороны, коммерчески жизнеспособные твердотельные батареи на основе неорганических сульфидов, хотя и являются многообещающими, имеют недостаток в виде высоких производственных затрат. Кроме того, они требуют эксплуатации при чрезвычайно высоких давлениях, часто достигающих нескольких десятков атмосфер, что создает значительные трудности на пути к коммерциализации. Таким образом, поиск нового материала электролита, который может эффективно решить эти проблемы, становится первостепенным в стремлении к развитию технологии твердотельных аккумуляторов.
В этом исследовании исследователям удалось преобразовать хрупкие расплавленные соли комнатной температуры, а именно LiAlCl4 и NaAlCl4, в вязкоупругие стекла, называемые LiAlCl2.5O0.75 (LACO) и NaAlCl2.5O0.75 (NACO), путем введения атомов кислорода вместо определенных атомов хлора.
Что отличает этот материал от других, так это его замечательная способность легко сгибаться при комнатной температуре, что бросает вызов предыдущему предположению о том, что неорганические твердые электролиты не могут обладать механической гибкостью, присущей органическим электролитам. Это открытие открывает путь к совершенно новому рубежу в разработке твердотельных электролитов.
Исследователи выявили как механизмы образования, так и механизмы ионной проводимости этих неорганических стекол, известных как материалы VIGLAS. Температура стеклования этих материалов (Tg) ниже комнатной, что приводит к вязкоупругим свойствам, напоминающим полимеры в условиях окружающей среды. Такой низкий уровень Tg можно объяснить сбалансированным соотношением кислорода и хлора, при котором кислородные мостики играют решающую роль в формировании Al-O-Al сетей соответствующего размера. Эти сети, в свою очередь, ограничивают атомную перегруппировку во время конденсации.
Кроме того, присутствие следовых количеств нескоординированного LixAlCl3+x, действующего как “пластификаторы”, способствует снижению содержания Tg. Что касается ионной проводимости, кислородные мостики в материалах VIGLAS сокращают расстояние между парами Li-Li, тем самым облегчая переход ионов Li+. Кроме того, электролиты VIGLAS демонстрируют движение сегментов цепи, аналогичное тому, которое наблюдается в ПЭО-полимерных электролитах. Это движение способствует коллективной миграции ионов Li+ в непосредственной близости, тем самым повышая ионную проводимость.
Важно отметить, что VIGLAS не только обладает замечательной деформируемостью, сравнимой с органическими полимерами, но и наследует желательные свойства обычных неорганических электролитов. Эти характеристики включают высокую устойчивость к напряжению до 4,3 В и впечатляющую ионную проводимость более 1 мС/см.
Это неотъемлемое преимущество эффективно решает проблемы механической и химической стабильности на границе раздела положительных электродов в твердотельных батареях. В результате это позволяет добиться революционного достижения работы при истинной температуре окружающей среды в неорганических полностью твердотельных литиевых и натриевых батареях без необходимости внешнего давления (поддерживаемого на уровне < 0,1 МПа).
В настоящее время коммерциализация твердотельных аккумуляторов сталкивается со значительными проблемами, связанными с высокими производственными затратами и сложными производственными процессами. К счастью, это исследование представляет собой идеальное решение. Во-первых, стоимость производства этого инновационного твердотельного электролитического материала исключительно низка, прежде всего потому, что его основной компонент – алюминий, который в изобилии содержится в земной коре.
Это приводит к тому, что стоимость материала составляет всего 6,85 доллара за килограмм для LACO и всего 1,95 доллара за килограмм для NACO. При 2% и 0,6%, соответственно, эти затраты составляют лишь малую долю от стоимости основного в настоящее время твердотельного электролита Li6PS5Cl, который имеет высокую цену в 319 долларов за килограмм.
Еще одним преимуществом является то, что эти ВИГЛЫ имеют низкую температуру плавления, ниже 160℃, что позволяет им эффективно проникать в пористые электроды подобно жидкости при подходящих условиях нагрева. Эта способность позволяет достигать коммерческих нагрузок на катод, превышающих 20 мг/см2.
Кроме того, эти материалы обладают пластичностью, сходной с органическими полимерами, что позволяет изготавливать электролитические пленки большой площади с использованием таких технологий, как процессы “от рулона к рулону”. Эти замечательные характеристики делают этот новый твердотельный электролитический материал высококонкурентным как с точки зрения материалов, так и с точки зрения затрат на производство, что делает его идеальным выбором для решения задачи работы без давления в катодах всех твердотельных аккумуляторов.