Новый твердый электролит повысит ионную проводимость аккумуляторов
Американские ученые предложили использовать твердые электролиты на основе нескольких металлов в литий- и натрий-ионных аккумуляторах, что позволяет повысить их ионную проводимость. Такой подход также решает проблему доступности некоторых редких и дорогостоящих металлов, которые обычно используются в твердых электролитах. Исследование опубликовано в журнале Science.
В состав литий-ионных батарей входит электролит — среда, в которой перемещаются ионы лития. Как правило, для этого используется жидкий электролит или гелевый полимер. Однако в последнее время внимание привлекают твердые электролиты, которые известны высокой плотностью энергии и безопасностью. В то же время разработка таких аккумуляторов сопряжена с трудностями, касающимися их проводимости и доступности. Для твердых электролитов используют особые металлы, которые являются не только редкими, но и дорогими.
Американские ученые предложили использовать в твердых электролитах не один металл, а несколько. Среди них были титан, цирконий, олово и гафний; кроме того, ученые добавляли фосфор и кислород. Для этого они получили и протестировали несколько литий- и натрий-ионных батарей с твердыми электролитами, содержащими смесь металлов. Чтобы подобрать их соотношение, ученые проводили расчеты на суперкомпьютере. Оказалось, что батареи с твердыми электролитами, содержащими смесь металлов, обладают более высокой ионной проводимостью. Она на несколько порядков превышает показатели батарей с твердыми электролитами на основе одного металла. Используя просвечивающий растровый электронный микроскоп, ученые проанализировали структуру полученных твердых электролитов и показали, что они состоят из одной фазы. В то же время в них имеются необычные искажения, которые дают начало новым каналам для транспорта ионов в кристаллической структуре материала. Именно это и повышает ионную проводимость таких твердых электролитов.
Результаты работы дают фундамент для разработки ионных проводников следующего поколения. Ученые планируют продолжить свои исследования твердых электролитов на основе смеси металлов и дальше, чтобы улучшить показатели аккумуляторов еще больше.