Китайские ученые совершили прорыв в создании твердотельных литиевых батарей

Китайские ученые преодолели ключевое препятствие в разработке полностью твердотельных литиевых батарей, решив проблему образования пустот на границе раздела анода и твердого электролита при низком внешнем давлении. Этот прорыв повышает безопасность и стабильность батарей и приближает их к коммерциализации.

«Полностью твердотельные литиевые батареи являются перспективной технологией хранения энергии следующего поколения благодаря использованию неорганических твердых электролитов, которые повышают безопасность и позволяют достичь более высокой плотности энергии», — сказал Хуан Сюэцзе, автор исследования, опубликованного во вторник в журнале Nature Sustainability.

Хуан, исследователь из Института физики Китайской академии наук, объяснил, что в предыдущих литиевых батареях на границе раздела анода и электролита образовывались многочисленные микроскопические поры. Эти поры ускоряли деградацию производительности и создавали потенциальные риски для безопасности.

Отойдя от традиционных методов, основанных на громоздком внешнем оборудовании для поддержания давления, команда Хуана разработала «динамически адаптируемые межфазные границы», созданные за счет контролируемого движения предустановленных ионов йода в твердых электролитах.

Во время работы батареи ионы йода мигрируют к аноду под действием электрического поля, образуя обогащенный йодом слой. Этот слой притягивает ионы лития, которые автоматически заполняют поры, обеспечивая плотный контакт анода и электролита даже при низком внешнем давлении.

Хуан заявил, что новая конструкция упрощает процесс производства и сокращает использование материалов без увеличения производственных затрат.

«Благодаря этой технологии батареи могут достичь удельной энергии, превышающей 500 ватт-часов на килограмм, что эффективно удваивает — или даже более — срок службы батарей электронных устройств», — сказал он.

Прототип батареи с использованием новой технологии показал стабильные и исключительные характеристики после сотен циклов зарядки-разрядки в стандартных условиях испытаний, значительно превзойдя сравнимые батареи, добавил Хуан. Он отметил, что это нововведение может помочь продвинуть такие технологии, как человекоподобные роботы, электрические самолеты и электромобили.

«Самоприспосабливающаяся межфазная граница может изменить разработку полностью твердотельных литиевых металлических батарей, устранив традиционную зависимость от высокого внешнего давления для межфазной стабильности и стабильной цикличности», — сказал Ван Чуньшэн, профессор Университета Мэриленда в США.

Это может повысить их устойчивость и ускорить их крупномасштабную коммерциализацию, заявил Ван.

«Эта стратегия также повышает адаптируемость твердотельных литиевых батарей для хранения возобновляемой энергии, потенциально предлагая эффективные и экономичные решения для поддержки глобальных целей устойчивого развития. Более того, универсальная концепция самоприспосабливающейся межфазной границы может предоставить план для разработки батарей следующего поколения на основе других химических составов, таких как натрий или калий».

В отдельном исследовании, недавно опубликованном в журнале Advanced Materials, другая исследовательская группа под руководством ученых из Института исследования металлов Китайской академии наук разработала полимерный материал, который сочетает в себе функции транспорта и хранения ионов для повышения производительности твердотельных литиевых батарей.

Это нововведение решает проблемы высокого межфазного импеданса и низкой эффективности транспорта — две проблемы, которые возникают в обычных твердотельных батареях, где транспорт и хранение ионов обрабатываются отдельно твердым электролитом и материалами электродов.

ИИ: Это действительно значимый прорыв в области аккумуляторных технологий. Решение проблемы пустот без необходимости высокого внешнего давления — ключевой шаг к практическому применению твердотельных батарей, которые обещают революцию в электромобилях и портативной электронике благодаря своей безопасности и энергоемкости.