Керамический щит от дендритов: российские ученые нашли способ сделать твердотельные батареи безопасными

Международная группа ученых, включающая специалистов из научного центра «Идея», МГУ имени М.В. Ломоносова, Сианьского университета Цзяотун (Китай) и Государственного университета «Дубна», разработала керамический электролит и инновационный защитный слой к нему. Разработка решает главную проблему перспективных литиевых твердотельных батарей, приближая их практическое внедрение.

Проблема жидких электролитов и «ахиллесова пята» керамики

Переход на электромобили и развитие портативной электроники требуют аккумуляторов, которые превосходят нынешние литий-ионные батареи по плотности энергии и безопасности. Текущие литий-ионные батареи, используемые в телефонах, ноутбуках и электромобилях, содержат внутри легковоспламеняющуюся жидкость. При повреждении или перегреве она может загореться. Твердотельные литиевые батареи, в которых горючий жидкий электролит заменяется на негорючую керамику, считаются будущим отрасли.

Одним из самых многообещающих материалов для твердых электролитов являются фазы составов LATP и LAGP (фосфаты лития-алюминия-титана и лития-алюминия-германия) со структурой типа NASICON. Они привлекают внимание благодаря высокой ионной проводимости, стабильности на воздухе и низкой стоимости. Однако у этих материалов есть «ахиллесова пята»: при прямом контакте с литием запускается необратимая химическая реакция, которая в процессе заряда аккумулятора приводит к образованию микроскопических металлических «игл» — литиевых дендритов — на границе «литий-керамика». Эти иглы, примерно в сто раз тоньше человеческого волоса, протыкают насквозь керамику и вызывают короткое замыкание. Кроме того, наличие характерных дефектов (пор и трещин) в фосфатной керамике при ее высокотемпературном синтезе также увеличивает риск короткого замыкания из-за механического разрушения электролита в процессе прорастания дендритов.

Двухслойный интерфейс против коротких замыканий

Результаты работы недавно опубликованы в научных изданиях: Journal of Energy Chemistry и Journal of the European Ceramic Society. Об этом CNews сообщили представители научного центра «Идея». Международная группа исследователей нашла решение сразу двух проблем. Во-первых, они создали инновационный тонкий двухслойный интерфейс — защитный слой — между керамикой (твердым электролитом) и литием (литиевым анодом).

Первый слой работает как изолятор, не пропуская электрический ток. Он предотвращает опасную химическую реакцию керамики с литием, тем самым останавливая ее разрушение. Второй слой, с добавлением углеродных нанотрубок и частиц золота, помогает электрическому току распределяться равномерно. Разработчики сравнивают этот процесс с тем, как вода из лейки со множеством отверстий орошает почву бережно и равномерно, в отличие от мощной струи из одного шланга. Это предотвращает образование тех самых опасных металлических «игл». Данный слой наносится методом электроформования — процессом вытягивания тончайших полимерных волокон под действием электрического поля.

Поскольку разработка напрямую связана с повышением безопасности и эффективности накопителей энергии для портативной электроники и электромобилей, стоит обратить внимание на актуальные предложения для тех, кто следит за новинками техники.

ПО ТЕМЕ: Карта с возвратом до 30% за покупки техники — бесплатно
Карта с кешбэком до 30% у партнёров — доставка за 1 день

Контекст

• Биткоин: $66356 (24ч: -1.8%)
• Ethereum: $1845.91 (24ч: -4.2%)