Батареи будущего: как керамика сохраняет "холод"

Инженеры из Калифорнийского университета в Риверсайде сделали важное открытие, объясняющее, почему ключевой материал для твердотельных аккумуляторов остается удивительно холодным во время работы. Это достижение открывает путь к созданию более мощных и безопасных литиевых батарей следующего поколения.

Исследование, опубликованное в журнале PRX Energy, сосредоточилось на керамическом материале под названием LLZTO (оксид лития, лантана, циркония и тантала). Этот материал является перспективным твердым электролитом для твердотельных аккумуляторов, которые потенциально могут обеспечить более высокую плотность энергии по сравнению с современными литий-ионными батареями, одновременно снижая риски перегрева и возгорания.

До сих пор ученые не до конца понимали, почему теплопроводность LLZTO, то есть его способность проводить тепло, остается исключительно низкой.

«Это материал, который остается термически стабильным, даже когда ионы стремительно движутся сквозь него», — отметил Си Чен, автор исследования и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Колледже инженерии имени Марлана и Розмари Бернс при Калифорнийском университете в Риверсайде. «Мы изучили тепловые свойства этого материала и на атомарном уровне объяснили, почему его теплопроводность низка. Это понимание поможет нам прогнозировать температурные профили внутри батарей и улучшать тепловой менеджмент, что означает возможность проектировать более безопасные аккумуляторы с более высокой плотностью энергии».

Когда батарея заряжается или разряжается, выделяется тепло. Если это тепло не рассеивается быстро, оно может ухудшить производительность, сократить срок службы или, в крайних случаях, привести к тепловому разгону — опасной цепной реакции, ведущей к пожару или взрыву.

Понимание того, как LLZTO естественным образом препятствует потоку тепла, может быть жизненно важным для прогнозирования распределения температуры и предотвращения проблем с безопасностью, считает Чен. «Для твердотельных аккумуляторов электролит находится между катодом и анодом. Знание того, как тепло проходит через этот слой, имеет решающее значение», — сказал он. «Нам нужны батареи, которые могут хранить больше энергии, не становясь опасно высокими. Наше исследование дает представление о том, как проектировать материалы, которые делают это возможным».

Чтобы разобраться в необычном поведении LLZTO, аспирантка Калифорнийского университета в Риверсайде Юйтянь Ван, первый автор статьи, вырастила монокристаллы этого материала методом зонной плавки. В отличие от поликристаллических образцов, содержащих множество мелких зерен, рассеивающих тепло, монокристаллы структурно безупречны, что позволяет выявить внутренние свойства материала. Результаты удивили команду: даже без дефектов теплопроводность LLZTO оказалась такой же низкой, как 1,59 Вт/(м·К), что почти в 250 раз ниже, чем у меди. «Это говорит нам о том, что низкая теплопроводность встроена в сам материал», — заявил Чен.

Путем сочетания экспериментов по рассеянию нейтронов в Ок-Риджской национальной лаборатории с передовыми симуляциями исследователи выявили причину: способ вибрации атомов в кристаллической решетке. В твердых телах, таких как LLZTO, тепло переносят фононы — квантованные колебания атомов. Команда обнаружила два ключевых фактора, которые нарушают движение фононов и ограничивают теплопередачу.

Во-первых, LLZTO содержит множество оптических фононных мод — колебаний, при которых атомы движутся несинхронно с соседями. Эти оптические колебания взаимодействуют с основными теплонесущими акустическими фононами, рассеивая их и препятствуя потоку тепла. «Когда фононы рассеиваются сильнее, они неэффективно переносят тепло», — пояснил Ван. «Вот почему мы видим такую низкую теплопроводность». Во-вторых, LLZTO обладает большой ангармоничностью, которая количественно определяет, насколько колебания отклоняются от идеального случая. Это свойство, связанное с движением подвижных ионов в материале, предполагает, что традиционные модели теплопередачи могут не полностью применяться к LLZTO. «То, как теплопроводность меняется с температурой, не соответствует фононной модели. В таких случаях могут возникать новые механизмы», — заключил Ван.

Это открытие предоставляет исследователям новые инструменты для разработки материалов, которые регулируют тепло на атомарном уровне, помогая предотвратить отказы в мощных компактных батареях. «Связывая колебания решетки и движение ионов с тепловым поведением, можно создавать материалы, которые не только эффективно проводят ионы, но и безопасно управляют теплом», — подчеркнул Чен. «Мы смотрим на общую картину — как динамика на атомарном уровне влияет на макроскопическое поведение энергетических систем. В этом будущее инноваций в области батарей».