Гибкий керамический электролит для литиевых батарей

Это приведет к возрождению исследовательского интереса к литий- металлическим батареям: литий-металлические аноды имеют гораздо более высокую теоретическую энергетическую емкость, чем графитовые аноды, применяемые в коммерческом производстве батарей

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый метод изготовления гибких электролитических листов на основе керамики для литий-металлических батарей. Они объединили керамику с пигментом гранатового типа, полимерное связующее и ионную жидкость, в результате чего был получен квазитвердый листовой электролит.

Он синтезируется при комнатной температуре, что требует значительно меньше энергии для его изготовления, чем существующие высокотемпературные (>1000 °C) процессы. Он способен функционировать в широком диапазоне температур и может с успехом применяться в аккумуляторах, например, электромобилей.

Это приведет к возрождению исследовательского интереса к литий- металлическим батареям: литий-металлические аноды имеют гораздо более высокую теоретическую энергетическую емкость, чем графитовые аноды, применяемые в коммерческом производстве батарей.

До сих пор существовали технологические препятствия, связанные с использованием металлических анодов лития. Например, в батареях на жидкой основе могут появляться литиевые дендриты, способные вызывать короткое замыкание и даже приводить к пожарам и взрывам.

Вот поэтому и были разработаны твердотельные более безопасные неорганические электролиты. Керамика гранатового типа (вид структуры) Li₇La₃Zr₂O₁₂, более известная как LLZO, в настоящее время активно рассматривается в качестве перспективного твердотельного электролитного материала благодаря своей высокой ионной проводимости и совместимости с металлическим литием.

Однако, для производства электролитов LLZO высокой плотности требовались очень высокие температуры спекания, вплоть до 1200 °C. Это не только малоэффективный процесс, требующий много времени и затрудняющий крупномасштабное производство электролитов LLZO. Создается плохой физический контакт между хрупкими электролитами LLZO и материалами электродов, который обычно приводит к высокому межфазному сопротивлению, что значительно ограничивает применение LLZO в полностью твердотельных литий-металлических батареях.

Исследователи нанесли керамическую суспензию LLZO на тонкий полимерный субстрат, как масло на бутерброд. После сушки в вакуумной печи листовой электролит толщиной 75 микрон вымачивали в ионной жидкости (IL) для улучшения его ионной проводимости.

IL представляют собой комбинацию солей в жидком состоянии и при комнатной температуре, обладающих высокой электропроводностью. Они почти не горят и не являются летучими. Внутри листов IL успешно заполнили микроскопические промежутки в структуре электролита и соединили частицы LLZO, создав эффективный путь для прохождения ионов Li.

IL также значительно снизили межфазное сопротивление на катоде. При дальнейшем изучении, было обнаружено, что ионы Li диффундируют через частицы как IL, так и LLZO в структуре электролита, подчеркивая роль каждого из компонентов. Процесс синтезирования прост и хорошо подойдет для промышленного производства.