Новый прорыв в твердотельных батареях: безопасность и долговечность

Исследователи из команды, включающей четыре университета и три национальные лаборатории под руководством Техасского университета в Остине, разработали инновационный подход к созданию твердотельных батарей. Это новшество обещает повысить их производительность и одновременно снизить производственные затраты. Твердотельные батареи являются перспективной технологией хранения энергии, способной значительно улучшить характеристики дронов, электроники и электромобилей.

«Главная задача в области батарей нового поколения — сделать их полностью твердотельными, что обеспечит повышенную безопасность и более высокую энергоемкость», — отметил Дэвид Митлин, профессор кафедры механической инженерии школы Кокрелл и ведущий исследователь новой работы, опубликованной в журнале Nature Materials. «Однако предстоит еще много работы, прежде чем все твердотельные батареи станут широко коммерчески доступны».

Современные литий-ионные батареи в основном используют органический жидкий электролит, напоминающее кленовый сироп вещество, которое позволяет ионам лития обратимо перемещаться внутри батареи. Несмотря на свою технологическую зрелость, жидкие электролиты являются «топливом» в часто упоминаемых случаях возгорания батарей.

Твердые электролиты на основе керамики снижают риски возгорания, исключая углеводородное топливо, поддерживающее неуправляемые термические реакции в батареях. Однако керамические электролиты сталкиваются с собственными проблемами, включая высокую стоимость, трудности с контролем качества при производстве и преждевременный выход из строя из-за коротких замыканий, вызванных дендритами (металлическими нитями).

Оксидные керамики на основе структуры граната являются ключевыми материалами для полностью твердотельных батарей. Уникальная структура граната обеспечивает быстрое и эффективное перемещение ионов лития, что делает его идеальным для хранения энергии. Но даже гранат испытывает трудности с решением проблемы дендритов, напрямую связанной с образованием мелких трещин внутри электролита.

Подобно ювелиру, обрабатывающему драгоценный камень, исследователи доработали гранат, раскрыв его полный потенциал. Диспергирование частиц диоксида циркония микроскопического размера внутри зерен граната подавляет как образование трещин, так и дендритов.

Этот метод основан на использовании карбидных добавок, которые экзотермически разлагаются в процессе изготовления, выделяя дополнительное тепло в реакции синтеза. Это дает дополнительное преимущество в снижении производственных затрат за счет уменьшения необходимой внешней температуры для обработки.

«Диоксид циркония здесь выполняет двойную функцию», — рассказал Исянь Ван, научный сотрудник лаборатории Митлина и соавтор статьи. «Он способствует уплотнению материала, а также предотвращает образование этих надоедливых литиевых дендритов. Это беспроигрышный вариант для производительности и безопасности батарей».

В ходе испытаний модифицированный диоксидом циркония гранат продемонстрировал почти двукратное увеличение критической плотности тока — максимального тока, который он может выдержать до короткого замыкания — по сравнению с немодифицированным гранатом. Это означает, что батареи, использующие данный материал, могут работать на более высоких уровнях мощности без ущерба для безопасности.

Хотя основной движущей силой этого исследования является наука о батареях, полученные результаты могут быть применены в широком спектре производственных секторов, где требуется контроль дефектов в высококачественной керамике.