Ученые разработали новый материал для электродов твердотельных батарей

Твердотельные батареи, в которых электролит состоит из твердого материала, а не из жидкости, обладают огромным потенциалом для хранения энергии, но имеют проблемы со стабильностью, которые влияют на их долговечность. Новое исследование указывает на решение этой проблемы: ученые разработали материал для электродов, который сохраняет свой объем во время зарядки, что позволяет батарее выдерживать сотни циклов.

Возможность управлять электромобилем или смартфоном на твердотельной батарее вместо сегодняшней литий-ионной может позволить им работать дольше, прежде чем потребуется подзарядка, и потребует меньше времени на саму зарядку.

Однако их проблемы со стабильностью связаны с перемещением ионов лития в электроды батареи и из них во время зарядки, что заставляет их расширяться и сжиматься и в конечном итоге это изменяет химический состав устройства.

Международная группа ученых разработала новый электрод для таких батарей, который, как утверждается, обладает беспрецедентной стабильностью.

Материал изготовлен из титаната лития и диоксида лития-ванадия, измельченных до частиц нанометрового размера. Этот материал, используемый в качестве электрода батареи, обладает высокой емкостью и позволяет обратимо вводить и извлекать ионы лития во время зарядки и разрядки.

В результате получается электродный материал, который сохраняет одинаковый объем во время работы. Ученые связали это с тонким балансированием, которое происходит, когда ионы лития выходят, а ионы ванадия мигрируют из своих первоначальных положений, чтобы заполнить пустые пространства.

«Когда усадка и расширение хорошо сбалансированы, размерная стабильность сохраняется во время зарядки или разрядки аккумулятора, то есть во время циклирования», — говорят ученые. «Мы ожидаем, что размерно-неизменный материал, который сохраняет свой объем при электрохимическом циклировании, может быть разработан путем дальнейшей оптимизации химического состава электролита».

Новый электродный материал был испытан в твердотельной батареи и показал впечатляющие результаты, продемонстрировав высокую емкость 300 мАч/г и, что, возможно, самое главное, отсутствие деградации в течение 400 циклов зарядки и разрядки.

«Отсутствие потери емкости в течение 400 циклов ясно указывает на превосходные характеристики этого материала по сравнению с обычными полностью твердотельными элементами со слоистыми материалами», — сказал автор исследования Нирадж Шарма.

«Это открытие может значительно снизить стоимость аккумуляторов. Разработка практичных высокопроизводительных твердотельных аккумуляторов может также привести к разработке передовых электромобилей. В будущем, например, можно будет полностью заряжать аккумулятор электромобиля всего за пять минут».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.