Российские учёные из научного центра «Идея» разработали твёрдый электролит для безопасных аккумуляторов будущего

Ученые из научного центра «Идея» совместно с учеными из МГУ имени М.В. Ломоносова, Сианьского университета Цзяотун (Китай) и Государственного университета «Дубна» разработали керамический электролит и инновационный защитный слой к нему. Они решают главную проблему перспективных литиевых твердотельных батарей, приближая их практическое внедрение.

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

Одним из самых многообещающих материалов для твердых электролитов благодаря высокой ионной проводимости, стабильности на воздухе и низкой стоимости являются фазы составов LATP и LAGP (фосфаты лития-алюминия-титана и лития-алюминия-германия) со структурой типа NASICON.

Но 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 в батарее. Более того, наличие пор и трещин в фосфатной керамике при ее высокотемпературном синтезе также вызывает риск короткого замыкания в процессе прорастания дендритов из-за механического разрушения электролита.

Международная группа исследователей нашла решение сразу двух проблем. Во-первых, они создали инновационный тонкий двухслойный интерфейс — защитный слой — между керамикой (твёрдым электролитом) и литием (литиевым анодом). Первый слой работает как изолятор, не пропуская электрический ток. Он не даёт керамике вступать в опасную химическую реакцию с литием, тем самым предотвращая ее разрушение. А второй слой с добавлением углеродных нанотрубок и частиц золота помогает электрическому току распределяться равномерно — подобно тому, 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».

Этот слой наносится методом электроформования — процессом вытягивания тончайших полимерных волокон под действием электрического поля. Такая технология уже используется в промышленности при производстве фильтров и медицинских материалов, поэтому её легко внедрить в массовое производство.

Во-вторых, команда учёных предложила эффективное решение для улучшения самой керамики, получив керамический электролит высокого качества (материал с оптимальной микроструктурой, которая обеспечивает высокую ионную проводимость). По сути, ученые смешали два вида керамического порошка — с крупными и мелкими частицами, по принципу, похожему на заполнение банки гравием и песком, где песок заполняет все пустоты между камнями.

В результате новый керамический материал стал гораздо плотнее, прочнее, а вместе с интерфейсом — химически и электрохимически устойчивым, термически высокостабильным, а значит — стал безопаснее и долговечнее. Аккумуляторы с новым защитным слоем стабильно проработали более 1400 часов (при сверхнизком перенапряжении около 10 мВ при плотности тока 0.1 мА см⁻², стабильное циклирование при 1 мА см⁻²) — вдвое дольше, чем аналоги без защиты. После 100 циклов заряда-разряда аккумуляторы сохранили 95% своей первоначальной ёмкости (при 0.6 мА см⁻², показав кулоновскую эффективность 99,9%). При нагреве вплоть до 300°C (что значительно выше температуры плавления лития) незащищенный образец мгновенно треснул и разрушился из-за побочной химической реакции, а образец с новым защитным слоем сохранил структурную целостность и не вступил в реакцию с расплавленным металлом благодаря образованию защитной плёнки из аморфного углерода.

«Предложенная технология разработки твердотельной электролитной системы отличается не только эффективностью, но и масштабируемостью, что открывает путь к её реальному практическому использованию. Исследование лаборатории по разработке твердотельных аккумуляторов нового поколения научного центра «Идея» вносит значительный вклад в развитие технологии твердотельных аккумуляторов и ускоряет их внедрение в электромобили и другую технику нового поколения», — рассказывает научный директор центра «Идея», член-корреспондент РАН Тагир Аушев.

«Результаты этих работ закладывают комплексную стратегию к созданию твердотельных литиевых аккумуляторов, сочетающую в себе как межфазный дизайн, так и дизайн керамического электролита типа NASICON. Следующий этап — переход от дисковых твердотельных макетов к полноразмерным прототипам аккумуляторов пакетного типа», — комментирует руководитель лаборатории по разработке твердотельных аккумуляторов нового поколения научного центра «Идея», кандидат химимческих наук Олеся Капитанова.

Результаты работы  опубликованы в научных изданиях: Journal of Energy Chemistry и Journal of the European Ceramic Society.

По материалам Пресс-службы научного центра «Идея».