Новые открытия в твердотельных аккумуляторах

Исследователи из Южнокорейского национального института науки и технологий (UNIST), Сеульского национального университета (SNU) и Университета POSTECH совершили значительный прорыв в понимании механизмов деградации твердотельных аккумуляторов (ASSB) — перспективной технологии для электромобилей нового поколения и крупномасштабных систем хранения энергии.

Совместное исследование, возглавляемое профессором Донхюком Кимом (UNIST), профессором Сун-Кьюном Джунгом (SNU) и профессором Джихён Хонг (POSTECH), показало, что химические реакции на границе раздела играют критическую роль в структурном повреждении и снижении производительности сульфидных ASSB. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

В отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, использующих легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, ASSB применяют негорючие твердые электролиты, что обеспечивает повышенную безопасность и более высокую плотность энергии. Однако проблемы, такие как нестабильность на границе раздела и деградация микроструктуры, препятствовали их коммерциализации. До сих пор детальное понимание этих процессов оставалось ограниченным.

Чтобы решить эту проблему, команда исследователей разработала модельную систему с защитным покрытием на поверхности катода (с использованием дифторфосфата лития, LiDFP) для подавления химической деградации на границе раздела. Они применили передовые аналитические методы, включая машинное обучение, цифровые двойники и новейшие методы характеризации, для изучения эволюции микроструктуры и реакционного поведения на уровне частиц и всего электрода.

Анализ продемонстрировал, что применение покрытия эффективно подавляет химическую деградацию на границе катод-электролит, что приводит к более равномерным электрохимическим реакциям по частицам и последовательной механической деградации всего электрода. Такая однородность способствовала улучшению сохранения емкости и долгосрочной стабильности, даже при более низких рабочих давлениях — давней проблеме в развертывании ASSB.

Важно отметить, что исследование выявило, что защитный слой выполняет не только роль барьера, но и поддерживает пути для проведения ионов лития, одновременно подавляя вредные межфазные реакции. Эта двойная функция не только продлевает срок службы аккумулятора, но и открывает новые возможности для разработки более безопасных, взрывобезопасных твердотельных аккумуляторов.

Ведущий автор исследования, доктор Чанхён Пак, отметил: «Наше исследование обеспечивает детальное понимание на уровне частиц коренных причин деградации производительности ASSB. Мы продемонстрировали, что защитное покрытие играет важную роль, выходящую за рамки простой защиты поверхности — оно может служить новым путем транспорта ионов лития, открывая инновационные стратегии для стабилизации и увеличения срока службы аккумуляторов».