Гибридные подходы к интеграции твердотельных металлических литиевых батарей с другими материалами могут увеличить плотность энергии, сообщают исследователи. Ученые из Университета Тохоку обнаружили, что использование литий-лантан-циркониевого оксида (LLZO) в полимерных композитных электролитах позволяет сохранить высокую ионную проводимость, одновременно повышая гибкость и технологичность.
Они подчеркнули, что сочетание LLZO с полимерными или гелевыми электролитами может также снизить вес, сохранить высокую производительность и увеличить дальность хода электромобилей. Эти гибридные конструкции продемонстрировали большую долгосрочную стабильность.
«Вместо того чтобы сосредоточиться на создании полностью керамической твердотельной батареи, нам нужно переосмыслить наш подход», — говорит Эрик Цзяньфэн Ченг, ведущий автор исследования и научный сотрудник WPI-AIMR в Университете Тохоку.
Перспективная технология следующего поколения
Твердотельные литий-металлические батареи считаются перспективной технологией следующего поколения, поскольку они способны повысить безопасность и энергоэффективность.
Исследователи также подчеркнули, что, помимо вышеупомянутых подходов, преимущества плотности энергии других технологий могут быть преувеличены.
Они также показали, что полностью твердотельный литий-металлический аккумулятор (ASSLMB) с использованием оксида циркония-лантана-лития (LLZO без полимера) достигнет гравиметрической плотности энергии всего 272 Вт-ч/кг, что незначительно больше, чем 250-270 Вт-ч/кг, предлагаемых нынешними литий-ионными батареями. Учитывая высокую стоимость и трудности производства, связанные с LLZO, результаты показывают, что композитные или близкие к твердым электролиты могут быть более жизнеспособными альтернативами.
Практическая колбовая батарея на основе LLZO
Детальное моделирование практического колбового элемента на основе LLZO (без полимера) опровергает гипотезу о том, что LLZO значительно повышает плотность энергии. Исследование показывает, что даже при использовании ультратонкого керамического сепаратора LLZO толщиной 25 мкм и высокоемкого катода производительность батареи лишь немного опережает лучшие традиционные литий-ионные элементы.
«Полностью твердотельные литий-металлические батареи считались будущим в области хранения энергии, но наше исследование показывает, что конструкции на основе LLZO могут не обеспечить ожидаемого скачка плотности энергии», — говорит Ченг.
«Даже в идеальных условиях выигрыш ограничен, а стоимость и производственные проблемы значительны».
Электролиты LLZO в близком к твердому состоянии
Однако исследователи подчеркнули, что использование квазитвердотельных LLZO-электролитов, включающих небольшое количество жидкого электролита, может улучшить ионный транспорт и структурную целостность. Такая гибридная конструкция может предложить значительные преимущества по сравнению со стандартной ячейкой-пакетом на основе LLZO.
Ключевой проблемой, отмеченной в исследовании, является плотность LLZO, которая увеличивает общую массу ячейки и снижает ожидаемые энергетические преимущества. Хотя объемная плотность энергии достигает примерно 823 Вт-ч/л, дополнительный вес и стоимость LLZO препятствуют осуществимости этой технологии, согласно данным исследования. пресс-релиз.
Хрупкость материала, сложность изготовления бездефектных тонких пленок, проблемы с литиевыми дендритами и межфазными зазорами еще больше осложняют его широкомасштабное применение.
«LLZO — отличный материал с точки зрения стабильности, но его механические ограничения и чрезмерный вес серьезно препятствуют его коммерческому применению», — объясняет Ченг.
Опубликовано в Материалы для хранения энергииИсследование подчеркивает недостатки цельнокерамических твердотельных батарей и необходимость практических инженерных решений, обеспечивающих баланс между энергетическими характеристиками, технологичностью и стоимостью.
Исследование также подчеркивает необходимость дальнейших исследований для полного понимания механики, поведения интерфейса, литий-ионного пути и возможности производства формованных пленочных электролитов на основе LLZO.
