Недавнее исследование, оценивающее твердые электролиты гранатового типа для литий-металлических аккумуляторов, показало, что их ожидаемые преимущества в плотности энергии могут быть переоценены. Исследование показывает, что полностью твердотельная литий-металлическая батарея (ASSLMB) с использованием оксида лития-лантана-циркония (LLZO) достигнет гравиметрической плотности энергии всего 272 Вт·ч/кг, что является незначительным увеличением по сравнению с 250–270 Вт·ч/кг, предлагаемыми современными литий-ионными аккумуляторами.
Учитывая высокие производственные затраты и производственные проблемы, связанные с LLZO, результаты показывают, что композитные или квазитвердотельные электролиты могут быть более жизнеспособными альтернативами.
Работа опубликована в журнале Energy Storage Materials.
«Полностью твердотельные литий-металлические батареи рассматривались как будущее хранения энергии, но наше исследование показывает, что конструкции на основе LLZO могут не обеспечить ожидаемого скачка в плотности энергии », — сказал Эрик Цзяньфэн Ченг, ведущий автор исследования и научный сотрудник WPI-AIMR, Университета Тохоку.
«Даже в идеальных условиях выгоды ограничены, а стоимость и производственные проблемы значительны».
Твердотельные литий-металлические батареи считаются перспективной технологией следующего поколения из-за их потенциала для повышения безопасности и энергоэффективности.
LLZO, ведущий кандидат на твердые электролиты , ценится за свою стабильность и ионную проводимость.
Однако детальное моделирование практической ячейки на основе LLZO ставит под сомнение предположение о том, что этот материал значительно повышает плотность энергии.
Исследование показало, что даже с ультратонким керамическим сепаратором LLZO толщиной 25 мкм и высокоемкостным катодом производительность батареи остается лишь немного выше, чем у лучших обычных литий-ионных ячеек.
Одной из ключевых проблем, отмеченных в исследовании, является плотность LLZO, которая увеличивает общую массу ячейки и снижает ожидаемые энергетические преимущества.
Хотя объемная плотность энергии достигает приблизительно 823 Вт·ч/л, дополнительный вес и стоимость LLZO препятствуют его практичности. Кроме того, хрупкость материала, сложность изготовления тонких листов без дефектов и проблемы с литиевыми дендритами и пустотами на границе еще больше усложняют крупномасштабное внедрение.
«LLZO — превосходный материал с точки зрения стабильности, но его механические ограничения и большой вес создают серьезные препятствия для коммерциализации», — пояснил Чэн.
В качестве альтернативы исследователи изучают гибридные подходы, которые интегрируют LLZO с другими материалами.
Одна из перспективных стратегий включает композитные электролиты LLZO-в-полимере, которые сохраняют высокую ионную проводимость, одновременно улучшая гибкость и технологичность.
Другой подход — квазитвердотельные электролиты LLZO, которые включают небольшое количество жидкого электролита для улучшения ионного транспорта и структурной целостности.
Эти гибридные конструкции продемонстрировали улучшенную долгосрочную стабильность. «Вместо того, чтобы сосредоточиться на полностью керамической твердотельной батарее, нам нужно переосмыслить наш подход», — сказал Ченг.
«Объединив LLZO с полимерными или гелевыми электролитами, мы можем улучшить технологичность, снизить вес и при этом сохранить высокую производительность».
Рубрика: Hi-Tech и Наука. Читать весь текст на android-robot.com.