[ad_1]
В бесконечном стремлении упаковать больше энергии в батареи без увеличения их веса или объема одной особенно многообещающей технологией являются твердотельные батареи. В этих батареях обычный жидкий электролит, переносящий заряды между электродами, заменен слоем твердого электролита. Потенциально такие батареи могли бы не только вырабатывать в два раза больше энергии для своего размера, но и фактически устранить опасность возгорания, связанную с сегодняшними литий-ионными батареями.
Но одно сдерживало твердотельные батареи: нестабильность на границе между слоем твердого электролита и двумя электродами с обеих сторон может значительно сократить срок службы таких батарей. В некоторых исследованиях использовались специальные покрытия для улучшения сцепления между слоями, но это увеличивает затраты на дополнительные этапы покрытия в процессе изготовления. Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института и Брукхейвенской национальной лаборатории придумала способ достижения результатов, которые равны или превосходят долговечность поверхностей с покрытием, но без необходимости в каких-либо покрытиях.
Новый метод просто требует устранения любого углекислого газа, присутствующего на критическом этапе производства, называемом спеканием, когда материалы батареи нагреваются для создания связи между слоями катода и электролита, которые состоят из керамических соединений. Несмотря на то, что количество углекислого газа в воздухе исчезающе мало, измеряемое в частях на миллион, его воздействие оказывается драматичным и пагубным. Выполнение этапа спекания в чистом кислороде создает соединения, которые соответствуют характеристикам лучших поверхностей с покрытием, без дополнительных затрат на покрытие, говорят исследователи.
О результатах сообщается в журнале Передовые энергетические материалыв статье докторанта Массачусетского технологического института Юнгю Кима, профессора ядерных наук и инженерии, а также материаловедения и инженерии Бильге Йилдиз, а также Ирадиканари Валуйо и Адриана Ханта из Брукхейвенской национальной лаборатории.
«Твердотельные батареи давно востребованы по разным причинам, — говорит Йилдиз. «Ключевыми мотивирующими моментами для твердых батарей являются то, что они безопаснее и имеют более высокую плотность энергии», но их сдерживали от крупномасштабной коммерциализации два фактора, говорит она: более низкая проводимость твердого электролита и проблемы нестабильности интерфейса.
По словам Йылдыза, проблема проводимости была эффективно решена, и уже были продемонстрированы материалы с достаточно высокой проводимостью. Но преодолеть нестабильность, возникающую на границе раздела, оказалось гораздо сложнее. Эти нестабильности могут возникать как во время производства, так и во время электрохимической работы таких батарей, но на данный момент исследователи сосредоточились на производстве и, в частности, на процессе спекания.
Спекание необходимо, потому что, если керамические слои просто прижать друг к другу, контакт между ними далек от идеального, слишком много зазоров и высокое электрическое сопротивление на границе раздела. Спекание, которое обычно проводится при температуре 1000 градусов Цельсия или выше для керамических материалов, заставляет атомы из одного материала мигрировать в другой для образования связей. Эксперименты команды показали, что при температурах выше нескольких сотен градусов происходят вредные реакции, которые увеличивают сопротивление на границе раздела, но только при наличии углекислого газа, даже в небольших количествах. Они продемонстрировали, что отсутствие двуокиси углерода и, в частности, поддержание атмосферы чистого кислорода во время спекания может создать очень хорошее соединение при температурах до 700 градусов без образования вредных соединений.
По словам Йилдиз, характеристики границы раздела катод-электролит, изготовленной с использованием этого метода, были «сопоставимы с лучшим сопротивлением границы раздела, которое мы видели в литературе», но все они были достигнуты с использованием дополнительного этапа нанесения покрытий. «Мы обнаруживаем, что вы можете избежать этого дополнительного этапа изготовления, который обычно является дорогостоящим».
Потенциальное увеличение плотности энергии, которое обеспечивают твердотельные батареи, связано с тем, что они позволяют использовать чистый металлический литий в качестве одного из электродов, который намного легче, чем используемые в настоящее время электроды из графита, насыщенного литием.
В настоящее время команда изучает следующую часть производительности таких батарей, а именно то, как эти связи сохраняются в течение длительного времени во время циклов работы батареи. Между тем, новые открытия потенциально могут быть быстро применены к производству аккумуляторов, говорит она. «Мы предлагаем относительно простой процесс изготовления клеток. Это не добавляет большого энергетического штрафа к изготовлению. Поэтому мы считаем, что его можно относительно легко внедрить в производственный процесс», а дополнительные затраты, по их расчетам, должны быть незначительными.
Крупные компании, такие как Toyota, уже работают над коммерциализацией первых версий твердотельных литий-ионных аккумуляторов, и эти новые открытия могут быстро помочь таким компаниям улучшить экономику и долговечность технологии.
Исследование было поддержано Исследовательским бюро армии США через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института. Команда использовала объекты, поддерживаемые Национальным научным фондом, и объекты Брукхейвенской национальной лаборатории, поддерживаемые Министерством энергетики.
[ad_2]
Source