Работа ионных жидкостей в твердотельных литий-металлических батареях

Квазитвердотельные электроды обеспечивают значительное снижение межфазного сопротивления.

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый квазитвердотельный катод для твердотельных литий-металлических батарей со значительно сниженным межфазным сопротивлением между катодом и твердым электролитом. При добавлении ионной жидкости их модифицированный катод мог поддерживать превосходный контакт с электролитом. Их прототип батареи также показал хорошее сохранение емкости. Хотя поиск лучшей ионной жидкости остается сложной задачей, эта идея обещает новые направления в разработке твердых литиевых батарей для практического применения.

Добавление ионной жидкости к материалу катода заполняет структурные пустоты и обеспечивает лучший интерфейс с твердым электролитом. Предоставлено: Токийский столичный университет.

Литий-ионные аккумуляторы стали повсеместными, найдя место в наших смартфонах, ноутбуках, электроинструментах и электромобилях. Но поскольку мы ищем лучшие решения с более высокой плотностью энергии, ученые обращаются к твердотельным литий- металлическим батареям. Литий-металлические батареи потенциально имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем их литий-ионные аналоги. Они рассматриваются как будущее батарей, приводящих в действие транспортные средства и энергосистемы в огромных масштабах.

Литий-ионные аккумуляторы

Однако технические проблемы не позволяют твердотельным литий-металлическим батареям найти применение в требовательных приложениях. Одним из основных является дизайн интерфейса между электродами и твердыми электролитами. Электролиты в литий-ионных батареях обычно жидкие и легко воспламеняются, что представляет угрозу безопасности. Вот почему вместо этого люди пытаются использовать твердотельный электролит. Однако трудно добиться хорошего контакта между электродами и твердыми электролитами. Любая шероховатость поверхности с обеих сторон приводит к высокому межфазному сопротивлению, что снижает производительность батареи. Была проведена некоторая работа по изучению конструкции твердого электролита, но конструкция катода остается открытым вопросом.

Группа под руководством профессора Киёси Канамура из Токийского столичного университета занимается разработкой новых способов улучшения контакта между катодом и твердотельным электролитом в твердотельных литий-металлических батареях. Теперь им удалось создать квазитвердый катод из оксида лития-кобальта (LiCoO 2 ), который содержит ионную жидкость при комнатной температуре. Ионные жидкости состоят из положительных и отрицательных ионов; они также могут транспортировать ионы. Важно отметить, что они могут заполнить любые крошечные пустоты на границе раздела катод/твердый электролит. При заполнении пустот межфазное сопротивление значительно уменьшилось.

Свойства ионной жидкости

Метод команды имеет и другие преимущества. Ионные жидкости не только обладают ионной проводимостью, но и почти нелетучи и обычно негорючи. Они также оказывают минимальное влияние на суспензию, из которой формируется катод, практически не затрагивая производственный процесс.

• Команда продемонстрировала прототип батареи, изготовленной с их квазитвердотельным катодом и твердым «гранатовым» электролитом (имея в виду его структуру), которая показала хорошую перезаряжаемость, с сохранением емкости 80% после 100 циклов заряда/разряда при повышенной температуре 60°С. Дальнейшие исследования также выявили оптимальное содержание ионной жидкости 11% масс.
• Остаются проблемы, такие как поиск лучшей ионной жидкости, которая не разлагается так легко. Тем не менее, новая парадигма команды обещает захватывающие новые направления для исследований твердотельных литий-металлических батарей, которые могут принести их из лаборатории в нашу жизнь.
• Эта работа была поддержана Программой исследований и разработок передовых низкоуглеродных технологий (ALCA) — Специально продвигаемые исследования для инновационных аккумуляторов следующего поколения (SPRING) (грант № JPMJAL1301) от Японского агентства по науке и технологиям (JST).

Источник

Метки: аккумулятор