Линия твердотельных батарей для лучшей производительности

Линия твердотельных батарей для лучшей производительности
Линия твердотельных батарей для лучшей производительности

Твердотельные батареи вмещают много энергии в небольшое пространство, но их электроды плохо держат связь со своими электролитами. Жидкие электролиты проникают в каждый уголок электрода, чтобы зажечь энергию, но жидкости занимают место, не накапливая энергию, и со временем выходят из строя. Теперь исследователи устанавливают контакт твердых электролитов с электродами, изготовленными из стратегически расположенных материалов — на атомном уровне — и полученные результаты помогают совершенствовать технологии твердотельных батарей.

Новое исследование, проведенное под руководством профессора материаловедения и инженерии Иллинойского университета Урбана-Шампейн Пола Брауна, постдокторанта Бениамина Захири и директора по исследованиям и разработкам Xerion Advanced Battery Corp. Джона Кука, демонстрирует, как контроль над атомным выравниванием твердых материалов может улучшить поверхность раздела катод-твердый электролит и стабильность твердотельных батарей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

«Для батарей важны не только материалы, но и то, как расположены атомы на поверхности этих материалов», — сказал Захири. «В настоящее время электроды твердотельных батарей содержат материалы с большим разнообразием расположения атомов на поверхности. Это приводит к, казалось бы, бесконечному количеству возможностей контакта электрода с твердым электролитом, каждый из которых имеет различные уровни химической реактивности. Мы заинтересованы в том, чтобы выяснить, какое расположение атомов приводит к практическому улучшению срока службы батареи, плотности энергии и мощности».

По словам исследователей, стабильность электролита определяет, сколько циклов зарядки и разрядки может выдержать аккумулятор, прежде чем он начнет терять энергию. В связи с этим ученые находятся в гонке по поиску наиболее стабильных материалов для электролитов.

«В спешке поиска стабильных материалов для твердых электролитов разработчики как бы упустили из виду важность того, что происходит на очень тонкой границе раздела между электролитом и электродом», — говорит Захири. «Но стабильность электролита не будет иметь значения, если связь между ним и электродами не может быть оценена эффективным способом».

В лаборатории группа создала электроды, содержащие ионы натрия и лития с определенным атомным расположением. Они обнаружили корреляцию между производительностью батареи и атомным расположением интерфейса в твердотельных батареях на основе лития и натрия. Они также обнаружили, что минимизация площади поверхности раздела и управление атомным выравниванием электродов является ключом как к пониманию природы нестабильности интерфейса, так и к повышению производительности ячейки. 

«Это новая парадигма для оценки всех важных твердых электролитов, доступных сегодня», — сказал Кук. «До этого мы в основном просто гадали, какие структуры интерфейса электрод-твердый электролит дают наилучшую производительность, но теперь мы можем проверить это и найти наилучшее сочетание материалов и атомных ориентаций».

Как продемонстрировали соавтор работы профессор машиностроения Элиф Эртекин и ее группа, наличие такого уровня контроля дало исследователям информацию, необходимую для проведения атомного моделирования, которое, как они предполагают, приведет к созданию еще более совершенных электролитных материалов в будущем, говорят исследователи.