Жидкие литий-ионные батареи есть повсюду, они встречаются в большинстве повседневных мобильных устройств. Несмотря на то, что они обладают изрядной долей преимуществ, аккумуляторные батареи на жидкой основе также несут заметный риск. Это стало очевидным для общественности в последние годы после сообщений о возгорании смартфонов из-за конструктивных ошибок, которые привели к утечке и возгоранию жидкого электролита батареи.
Другие недостатки, такие как стоимость изготовления, долговечность и емкость, побудили ученых изучить другую технологию: твердотельные литиевые батареи (SSLB). SSLB состоят из твердых электродов и твердого электролита, которые обмениваются ионами лития (Li) во время зарядки и разрядки.
Их более высокая плотность энергии и безопасность делают SSLB очень мощными источниками.
Тем не менее, есть еще много технических проблем, препятствующих коммерциализации SSLB. Для текущего исследования исследователи провели серию экспериментов и получили представление, которое может поднять производительность SSLB на новый уровень. Профессор Таро Хитосуги из Tokyo Tech, который руководил исследованием, объясняет их мотивацию: «LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) является многообещающим материалом для положительного электрода SSLB, поскольку он может генерировать сравнительно более высокие напряжения.
В этом исследовании мы показали, что аккумулятор работает на 2.9 и 4.7 В при одновременном достижении большой емкости, стабильной цикличности и низкого сопротивления на границе раздела электролит / электрод."
Предыдущие исследования показали, что создание чистой поверхности раздела электролит / электрод необходимо для достижения низкого сопротивления интерфейса и быстрой зарядки в SSLB на основе LNMO. Ученые также отметили, что ионы Li спонтанно мигрировали из электролита Li3PO4 (LPO) в слой LNMO при изготовлении, образуя Li2Ni0.5Mn1.Фаза 5O4 (L2NMO) в LNMO с неизвестным распределением и влиянием на производительность батареи.
Команда исследовала, на что была похожа фаза L2NMO, проанализировав изменения кристаллической структуры между Li0Ni0.5Mn1.Фазы 5O4 (L0NMO) и L2NMO во время зарядки и разрядки.
Они также изучили начальное распределение L2NMO на чистых границах раздела LPO / LNMO, изготовленных в вакууме, а также влияние толщины электродов.
Поразительно, но чистый интерфейс облегчил интеркаляцию и деинтеркаляцию Li во время зарядки и разрядки SSLB.
В результате емкость SSLB с чистым интерфейсом была вдвое больше, чем у обычных батарей на базе LNMO. Более того, в этом исследовании впервые были обнаружены стабильные обратимые реакции между фазами L0NMO и L2NMO в SSLB.
Доцент Хидеюки Кавасоко из Университета Тохоку и ведущий автор исследования отметил: «Наши результаты показывают, что формирование незагрязненного, чистого интерфейса LPO / LNMO является ключом к увеличению емкости SSLB при обеспечении низкого сопротивления интерфейса для быстрой зарядки."
Помимо мобильных устройств, SSLB могут найти применение в электромобилях, для которых стоимость и долговечность аккумулятора выступают в качестве основных препятствий для широкой коммерциализации. Результаты этого исследования обеспечивают важную информацию для будущих конструкций SSLB и открывают путь к переходу от ископаемого топлива к более экологичным способам транспортировки.
Следите за появлением SSLB!