Китайские ученые добились прорыва в исследовании твердотельных литиевых батарей

Представьте себе, если бы аккумулятор вашего смартфона был не только безопаснее и меньше, но и работал бы намного дольше на одной зарядке — как это было бы удивительно! Недавно исследовательская группа из Института биоэнергетики и биотехнологии Циндао Китайской академии наук совершила новый прорыв в области полностью твердотельных литиевых батарей. Это достижение потенциально может сделать мечту о миниатюрных, долговечных электронных устройствах реальностью. Результаты были опубликованы 31 июля в международном академическом журнале Nature Energy.

Литий-ионные аккумуляторы, которые питают смартфоны, ноутбуки и другие электронные устройства, обычно хранят и высвобождают энергию с помощью жидких электролитов. Сейчас ученые изучают новый тип аккумулятора — полностью твердотельный литиевый аккумулятор. В отличие от обычных аккумуляторов, эти аккумуляторы используют твердые электролиты вместо жидких, что делает их более безопасными и менее подверженными утечкам или возгораниям.

Хотя полностью твердотельные литиевые батареи кажутся идеальными, они сталкиваются с рядом проблем в разработке. Основная проблема заключается в сложности достижения идеальной химической и физической совместимости между различными материалами в катоде батареи, что приводит к различным проблемам на границе раздела, которые могут повлиять на плотность энергии и срок службы. Для решения этой проблемы исследовательская группа разработала новый материал — однородный катодный материал (литий-титан-германий-фосфор-сера-селен, LTGPSSe).

Этот новый материал имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными материалами:

1. Высокая проводимость: новый материал обладает высокой ионной и электронной проводимостью, превышающей проводимость обычных катодных материалов (слоистые оксидные катодные материалы) более чем в 1000 раз. Это означает, что даже без использования проводящих добавок катод может эффективно завершить процесс заряда-разряда, значительно повышая общую производительность аккумулятора.

2. Высокая разрядная емкость: разрядная емкость нового материала достигает 250 мАч/г, превосходя катодные материалы с высоким содержанием никеля, используемые в настоящее время. Это позволяет аккумулятору хранить больше энергии при том же весе или объеме, увеличивая время работы между зарядками и позволяя проектировать более компактные устройства.

3. Малое изменение объема: во время циклов заряда и разряда новый материал испытывает изменение объема всего на 1,2%, что намного ниже 50%, наблюдаемых в традиционных материалах (слоистые оксидные катодные материалы). Это минимальное изменение объема помогает поддерживать структурную стабильность, тем самым продлевая срок службы батареи.

4. Высокая плотность энергии: плотность энергии твердотельных литиевых батарей, использующих этот новый материал, достигает 390 Вт·ч/кг, что в 1,3 раза выше, чем у известных в настоящее время твердотельных литиевых батарей с длительным циклом.

5. Длительный срок службы: Полностью твердотельные литиевые батареи, изготовленные из этого материала, могут выдерживать более 10 000 циклов с длительным сроком службы. Даже после 5 000 циклов зарядки батарея сохраняет 80% своей первоначальной емкости, обеспечивая достаточную мощность на более длительный период.

Это исследование предлагает важную технологическую поддержку для разработки высокоплотных, долговечных устройств хранения энергии, обеспечивая безопасные и долговечные источники питания для электромобилей, сетей хранения энергии, глубоководного и глубокого космического оборудования. Оно также имеет значительные последствия для разработки новых систем хранения энергии.