Новая твердотельная батарея может хранить в 10 раз больше ионов лития

Два очень многообещающих направления развития аккумуляторных технологий нового поколения включают использование твердотельных электролитов, а не жидких, и добавление кремния в анодный компонент для повышения плотности энергии. Недавно разработанная архитектура помещает эти две инновации в одно устройство, чтобы сформировать твердотельную батарею, которая является безопасной, долговечной и может хранить огромное количество энергии.

В течение многих лет ученые были очарованы революционной плотностью энергии, которую обещает кремний для батарей следующего поколения, но его использование сопряжено со своими проблемами.

Идея состоит в том, чтобы включить или полностью заменить графит, используемый в качестве анода, кремнием, чтобы потенциально хранить в 10 раз больше ионов лития. Проблема в том, что кремний приводит к быстрому разложению жидкого электролита и быстрому выходу аккумулятора из строя, но авторы нового исследования считают, что решение может заключаться в использовании вместо него твердотельного электролита.

Как и кремниевые аноды, твердотельные электролиты — это еще одна область исследований аккумуляторов, которая может открыть некоторые захватывающие возможности. Обычный жидкий электролит, который переносит ионы лития между анодом и другим электродом батареи, катодом, очень летуч, что ограничивает совместимость с другими перспективными материалами с высокими характеристиками, такими как металлический литий. Твердотельные электролиты являются многообещающим решением этой проблемы.

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего подозревали, что твердотельный электролит может дать некоторые преимущества кремниевым анодам. Попытки включить кремний в аноды литиевых батарей были затруднены из-за колебаний размера частиц кремния, которые расширяются и сжимаются по мере зарядки и разрядки устройства.

Это в сочетании с нестабильным взаимодействием между кремниевым анодом и жидким электролитом приводит к серьезным потерям емкости при циклическом переключении батареи.

Новый подход включал некоторые изменения в способе сборки кремниевого анода, при этом ученые исключили углерод и связующие, которые обычно используются, и выбрали более дешевую форму микрокремния, которая подвергается меньшему количеству обработки. Затем для переноса заряда был введен твердый электролит на основе сульфида, и полученная в результате батарея оказалась чрезвычайно стабильной, благодаря предотвращению разрушающих взаимодействий на аноде.

Новый кремниевый твердотельный аккумулятор описывается как безопасный, долговечный и энергоемкий. Было показано, что лабораторный полноразмерный аккумулятор способен выдерживать 500 циклов зарядки и разрядки, сохраняя при этом 80 процентов своей емкости, что демонстрирует стабилизирующие эффекты новой конструкции.

“Твердотельный кремниевый подход преодолевает многие ограничения в обычных батареях», — говорит Даррен Х. С. Тан, первый автор работы и генеральный директор стартапа UNGRID Battery, который лицензировал эту технологию. «Это открывает для нас захватывающие возможности для удовлетворения потребностей рынка в более высокой объемной энергии, снижении затрат и более безопасных батареях, особенно для сетевого хранения энергии».

Исследование было опубликовано в журнале Science, а видео ниже представляет собой обзор открытия.