Исследователями центра «Идея» в кооперации с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова, Сианьского университета Цзяотун (Китай) и Госуниверситета «Дубна» был создан новый керамический электролит и специальный защитный барьер для него. Эта разработка устраняет ключевое препятствие на пути коммерциализации передовых твердотельных литиевых аккумуляторов, следует из пресс-релиза компании. Научные отчеты об исследовании размещены в журналах Journal of Energy Chemistry и Journal of the European Ceramic Society.
Фото предоставила пресс-служба Научного центра перспективных междисциплинарных исследований «Идея»
Екатерина Королёва
Постановка задачи
Расширение использования электромобилей и прогресс в области портативной электроники диктуют потребность в более энергоемких и безопасных источниках питания, превосходящих современные литий-ионные аналоги. В нынешних литий-ионных аккумуляторах, повсеместно применяемых в гаджетах и транспорте, содержится легковоспламеняющийся жидкий электролит, что создает риск возгорания при повреждении или перегреве. Альтернативой считаются твердотельные батареи, где эта жидкость заменена на негорючий керамический материал.
Наиболее перспективными для роли твердого электролита признаны материалы семейства NASICON, в частности фосфаты LATP и LAGP (литий-алюминий-титана-фосфат и литий-алюминий-германия-фосфат). Их преимущества — высокая ионная проводимость, стабильность в воздушной среде и доступная стоимость. Однако у этих материалов есть серьезный недостаток: при непосредственном контакте с металлическим литием возникает нежелательная химическая реакция. В процессе зарядки это приводит к формированию на границе раздела литий-керамика микроскопических дендритов — «игл» лития, в сотни раз тоньше человеческого волоса. Эти дендриты способны пронзать керамику, вызывая внутреннее короткое замыкание. Дополнительную опасность представляют дефекты структуры (поры и трещины), возникающие при высокотемпературном синтезе керамики, которые также облегчают рост дендритов и могут привести к механическому разрушению электролита.
Фото предоставила пресс-служба Научного центра перспективных междисциплинарных исследований «Идея»
Разработанная методика
Коллективу ученых удалось найти подход для одновременного решения двух указанных проблем.
Прежде всего, был разработан уникальный тонкий двухкомпонентный барьерный слой, размещаемый между керамическим электролитом и литиевым анодом.
• Базовый слой выполняет функцию электроизолятора, блокируя прохождение тока. Он исключает прямой химический контакт между литием и керамикой, предотвращая ее деградацию.
• Верхний слой, модифицированный углеродными нанотрубками и наночастицами золота, обеспечивает равномерное распределение электрического тока по поверхности. Это можно сравнить с равномерным поливом через насадку-лейку, в противовес мощной струе из шланга. Такое распределение тока подавляет зарождение и рост опасных дендритов.
Этот барьерный слой наносится методом электроспиннинга — формирования ультратонких полимерных волокон под воздействием сильного электрического поля. Данная технология уже хорошо освоена в промышленности, например, при изготовлении фильтров и медицинских материалов, что облегчает ее адаптацию для массового производства аккумуляторов.
Во-вторых, исследователи усовершенствовали структуру самой керамики, получив высококачественный электролит с оптимальной микроструктурой для максимальной ионной проводимости. Ученые применили принцип бинарной упаковки, смешав керамические порошки с частицами разного размера — крупными и мелкими. Аналогия — заполнение емкости смесью гравия и песка, где песок заполняет все пустоты между камнями. В результате новый керамический материал приобрел повышенную плотность и механическую прочность. В комбинации с защитным интерфейсом он демонстрирует высокую химическую и электрохимическую стабильность, а также термостойкость, что напрямую повышает его безопасность и эксплуатационный ресурс.
Фото предоставила пресс-служба Научного центра перспективных междисциплинарных исследований «Идея»
Результаты экспериментов
Проведенные испытания показали исключительные результаты.
• Батареи с новым защитным слоем стабильно функционировали свыше 1400 часов (при сверхнизком перенапряжении ~10 мВ и плотности тока 0.1 мА·см⁻², а также при циклировании с плотностью 1 мА·см⁻²) — это в два раза дольше контрольных образцов без защиты.
• После 100 циклов заряда-разряда элементы сохранили 95% от первоначальной емкости (при плотности тока 0.6 мА·см⁻² и кулоновской эффективности 99,9%).
• При нагреве до 300°C (температуры, превышающей точку плавления лития) незащищенный образец керамики мгновенно растрескался и разрушился из-за побочной реакции с расплавленным металлом. Образец же с барьерным слоем сохранил структурную целостность, так как на его поверхности образовалась защитная пленка из аморфного углерода, предотвратившая контакт с литием.
«Предлагаемая технология создания твердотельной электролитной системы эффективна и масштабируема, что открывает дорогу для ее практического применения. Работа лаборатории центра «Идея» вносит существенный вклад в развитие технологий твердотельных аккумуляторов и приближает их внедрение в электромобили и новую электронику», — отметил научный директор центра «Идея», член-корреспондент РАН Тагир Аушев.
«Результаты данной работы формируют комплексную стратегию создания твердотельных литиевых батарей, объединяющую оптимизацию интерфейса и структуры керамического электролита типа NASICON. Наша следующая цель — переход от лабораторных дисковых образцов к созданию полноразмерных прототипов аккумуляторов пакетного типа», — дополнила руководитель лаборатории по разработке твердотельных аккумуляторов нового поколения научного центра «Идея», к.х.н. Олеся Капитанова.