У исследователей из Университета Миссури, возможно, есть решение. Доцент Маттиас Янг и его команда выясняют, как использовать твердые электролиты вместо жидкостей или гелей для изготовления твердотельных аккумуляторов, которые являются более безопасными и энергоэффективными.

"Когда твердый электролит соприкасается с катодом, он вступает в реакцию и образует межфазный слой толщиной около 100 нанометров - в 1000 раз меньше толщины одного человеческого волоса", - сказал Янг, который работает на совместном приеме в Инженерном колледже Миззу и Колледже искусств и науки. "Этот слой препятствует легкому перемещению ионов лития и электронов, повышая сопротивление и снижая производительность батареи".

Понимание этой проблемы с твердотельными батареями - и того, как ее преодолеть, - беспокоило ученых более десяти лет.

Команда Янга решила проблему, лучше поняв первопричину.

Используя четырехмерную сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (4D STEM), исследователи исследовали атомную структуру батареи, не разбирая ее на части - революционный прорыв в этой области. Этот новый процесс позволил им получить фундаментальное представление о химических реакциях, происходящих внутри батарей, и в конечном счете определить, что виновником является межфазный слой.

Потенциальное решение

Традиционные литий-ионные аккумуляторы обеспечивают нашу повседневную жизнь - от электромобилей до беспроводных наушников, поскольку они быстро заряжаются и накапливают много энергии. Однако они основаны на растворе, известном как жидкий электролит, который может загореться при повреждении или перегреве.

У исследователей из Университета Миссури, возможно, есть решение. Доцент Маттиас Янг и его команда выясняют, как использовать твердые электролиты вместо жидкостей или гелей для изготовления твердотельных аккумуляторов, которые являются более безопасными и энергоэффективными.

"Когда твердый электролит соприкасается с катодом, он вступает в реакцию и образует межфазный слой толщиной около 100 нанометров - в 1000 раз меньше толщины одного человеческого волоса", - сказал Янг, который работает на совместном приеме в Инженерном колледже Миззу и Колледже искусств и науки. "Этот слой препятствует легкому перемещению ионов лития и электронов, повышая сопротивление и снижая производительность батареи".

Понимание этой проблемы с твердотельными батареями - и того, как ее преодолеть, - беспокоило ученых более десяти лет.

Команда Янга решила проблему, лучше поняв первопричину.

Используя четырехмерную сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (4D STEM), исследователи исследовали атомную структуру батареи, не разбирая ее на части - революционный прорыв в этой области. Этот новый процесс позволил им получить фундаментальное представление о химических реакциях, происходящих внутри батарей, и в конечном счете определить, что виновником является межфазный слой.

Потенциальное решение

Лаборатория Янга специализируется на тонких пленках, образующихся в процессе осаждения из паровой фазы, известном как окислительное осаждение молекулярного слоя (OML). Теперь он планирует проверить, могут ли тонкопленочные материалы его лаборатории образовывать защитные покрытия, предотвращающие реакцию твердого электролита и катодных материалов друг с другом.

"Покрытия должны быть достаточно тонкими, чтобы предотвратить реакции, но не настолько толстыми, чтобы они блокировали поток литий-ионов", - сказал он. "Мы стремимся поддерживать высокие эксплуатационные характеристики твердого электролита и катодных материалов. Наша цель - использовать эти материалы вместе, не жертвуя их эксплуатационными характеристиками ради совместимости".

Этот тщательно продуманный подход на наноуровне поможет обеспечить бесперебойную работу этих материалов друг с другом, что сделает твердотельные аккумуляторы на шаг ближе к реальности.

"Понимание межфазного образования катод-электролит в твердотельных литий-ионных батареях с помощью 4D-STEM" было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials. Соавторами являются Нихила К. Паранамана, Андреас Вербрук, Амит К. Датта и Сяоцин Хэ в Миззоу.