Новый электролит для твердотельных батарей: прорыв на 5 В

Разработан революционный твердотельный электролит, способный стабильно работать при напряжениях выше 5 В, что открывает новые перспективы для создания более энергоемких и безопасных аккумуляторов. Это достижение преодолевает давний барьер стабильности 5 В, который ограничивал производительность многих современных твердотельных батарей (ASSB).

Традиционные литий-ионные аккумуляторы используют жидкие электролиты, которые имеют ограничения по безопасности и энергоемкости из-за их склонности к разложению при высоких напряжениях. Твердотельные батареи (ASSB) призваны решить эти проблемы, заменяя жидкие электролиты на твердые. Однако даже твердые электролиты сталкивались с трудностями при работе с высокоэнергетическими катодами, такими как шпинели, которые функционируют около 5 В.

Исследователи из Университета Ёнсе, Университета Донгук, KAIST и других институтов представили новый фторидный твердотельный электролит, который сочетает хлорид лития (LiCl) с фторидом титана лития (Li2TiF6). Этот новый материал, как показано в исследовании, опубликованном в Nature Energy, демонстрирует исключительную стабильность при напряжениях свыше 5 В.

«Мы хотели исследовать, смогут ли фторидные материалы преодолеть этот барьер, и результаты превзошли наши ожидания», — комментирует один из авторов работы. — «ASSB заменяют легковоспламеняющиеся органические жидкие электролиты на неорганические твердые, позволяя ионам Li+ перемещаться через твердые фазы. Эта архитектура не только повышает безопасность, но и позволяет достичь более высокой плотности энергии за счет использования альтернативных электродов, таких как литий-металлические аноды, которые иначе трудно применять. Однако высоконапряженные катоды, такие как шпинели, часто вызывают разложение обычных твердых электролитов».

Новый электролит, основанный на материале LiCl–4Li2TiF6, формирует защитный фторидный слой на поверхности шпинельного катода (LiNi0.5Mn1.5O4). Этот слой, благодаря тонким атомным перестройкам, включая частичное замещение хлором и восстановление титана, создает эффективные пути для миграции ионов Li+. Это позволяет слою оставаться стабильным при напряжениях выше 5.5 В, сохраняя при этом высокую ионную проводимость.

В ходе испытаний батареи, использующие новый фторидный электролит в сочетании со шпинельным катодом, продемонстрировали стабильную работу при напряжениях выше 5 В, что ранее было недостижимо. Они также показали значительно более высокую емкость по сравнению с батареями на основе обычных твердых электролитов и сохранили 75.2% своей емкости после 500 циклов заряда-разряда.

«Мы впервые экспериментально показали, что химия 5 В, включая шпинельные катоды, может успешно работать в ASSB при сочетании с фторидным твердотельным электролитом», — подчеркивает старший автор исследования. — «Этот прорыв преодолевает давний барьер стабильности 5 В и открывает совершенно новый подход к проектированию высоконапряженных ASSB, причем не только для шпинельных катодов, но и для никель-богатых и литий-богатых слоистых оксидных материалов».

Эти результаты имеют большое значение для разработки более безопасных и энергоемких аккумуляторов для электромобилей и систем хранения энергии. Команда планирует дальнейшие исследования, направленные на увеличение плотности энергии и разработку новых, более экономичных высоконапряженных катодов.