Исследовательская группа из Японии сообщила о создании огнестойкой квазитвердотельной литий-ионной батареи (LIB), которая преодолевает недостатки традиционных аккумуляторов. Команда разработала батарею с кремниевыми электродами и электродами NCM811, используя негорючие электролиты для повышения безопасности и плотности энергии. Аккумулятор обладает более высокой ионной проводимостью, улучшенной производительностью цикла и большей безопасностью, чем обычные аккумуляторы LIB.
Как сообщается, эта инновация, разработанная учеными из Университета Дошиша и корпорации TDK, сочетает жидкие и твердые электролиты для повышения безопасности и долговечности. Увеличение плотности энергии активных материалов положительных и отрицательных электродов обычно снижает производительность цикла и безопасность, но инновация японских ученых предлагает сбалансированное решение. По словам команды разработчиков, такая конструкция обеспечивает более безопасное и долговечное решение по сравнению с полностью твердотельными аккумуляторами при сохранении высокой плотности энергии. “Повышенная безопасность и эффективность зарядки/разряда продемонстрировали возможность использования квазитвердотельных аккумуляторов в качестве технологии ближайшего будущего”, - говорится в аннотации к исследованию.
Аккумуляторы LIB постоянно совершенствуются, чтобы соответствовать растущим требованиям рынка и поддерживать устойчивые технологии. Повышение безопасности, надежности, удельной энергоемкости, пригодности для вторичной переработки и экологической совместимости по-прежнему имеет решающее значение. Хотя органические электролиты обеспечивают высокое напряжение в аккумуляторах LIB, они требуют надежных мер безопасности. Твердые электролиты являются более безопасной альтернативой, что повышает интерес к полностью твердотельным аккумуляторам. Однако они сталкиваются с трудностями при поддержании границ раздела "твердое тело-твердая среда" из-за расширения и сжатия электродов во время циклов заряда/разряда. Для решения этой проблемы требуются материалы для “соединения фаз”, которые обеспечивают эластичность, невоспламеняемость и высокую ионную проводимость.
Как отмечают японские исследователи, перспективными кандидатами в этом плане являются эластичные полимерные электролиты и негорючие органические растворители. Недавние исследования выявили такие достижения, как использование гелей на основе полидиметилсилоксана и высококонцентрированных растворов солей лития для повышения производительности. Несмотря на достигнутый прогресс, проблемы остаются, в том числе медленный перенос литий-ионов и деградация поверхности раздела из-за взаимодействия материалов. Оптимизация сольватирующих структур и комбинаций электролитов демонстрирует, по мнению исследователей, потенциал снижения сопротивления и повышения стабильности, что открывает путь для создания аккумуляторов LIB следующего поколения.
Твердотельные аккумуляторы повышают безопасность, но сталкиваются с проблемами, связанными с литий-ионным обменом и повреждением интерфейсов. Для решения этих проблем исследователи из Японии разработали негорючий квазитвердотельный литий-ионный аккумулятор, который обеспечивает повышенную стабильность, безопасность и производительность, преодолевая при этом ограничения традиционных конструкций.
Конструкция, разработанная командой японских разработчиков, состоит из кремниевого отрицательного электрода (Si) и положительного электрода LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811), которые считаются материалами нового поколения для аккумуляторов LIB и включены в новую конструкцию батареи. Эти электроды разделены сплошным литий-ионным стеклокерамическим листом (LICGCTM), изготовленным компанией OHARA. Специально для каждого электрода исследователи создали практически насыщенные, негорючие растворы электролитов, чтобы улучшить совместимость и производительность. В растворах использовались трис (2,2,2-трифторметил) фосфат и метил 2,2,2-трифторметилкарбонат, поскольку они были совместимы с поверхностью раздела твердых электролитов и электродами.
По словам исследователей, полученные в результате квазитвердотельные аккумуляторы емкостью 30 мАч продемонстрировали выдающиеся электрохимические характеристики, термостабильность и ионную проводимость. Затем исследователи использовали ускоряющую калориметрию (ARC), эксперименты с зарядом-разрядом и электрохимическую импедансную спектроскопию для оценки термической стабильности и электрохимических характеристик квазитвердотельного аккумулятора LIB. Исследователи отмечают, что обращает на себя внимание высокая емкость аккумулятора при зарядке/разрядке, высокая производительность цикла и минимальное изменение внутреннего сопротивления. Кроме того, даже при высоких температурах, около 150°C, структура Si-LICGC-NCM811 с соответствующими растворами электролитов продемонстрировала повышенную термическую стабильность и очень незначительное выделение тепла в результате побочных реакций, согласно результатам дугового испытания. “В целом, недавно разработанный аккумулятор LIB обладает потенциалом для улучшения разработки эффективных и безопасных электромобилей следующего поколения и беспроводных устройств, таких как дроны. Его широкое применение может не только повысить удобство пользователей, но и способствовать устойчивому экономическому росту”, - говорится в заявлении команды японских исследователей.
Подробности исследования были опубликованы в журнале Journal of Energy Storage.
