Недавнее исследование, в котором оценивались твердые электролиты гранатового типа для литий-металлических аккумуляторов, показало, что их ожидаемые преимущества в плотности энергии могут быть завышены. Исследование показывает, что полностью твердотельная литий-металлическая батарея (ASSLMB), использующая оксид лития-лантана-циркония (LLZO), достигла бы гравиметрической плотности энергии всего 272 Втч / кг, что незначительно превышает 250-270 Втч / кг, предлагаемые современными литий-ионными батареями. Учитывая высокие производственные затраты и производственные проблемы, связанные с LLZO, полученные данные свидетельствуют о том, что композитные или квазитвердотельные электролиты могут быть более жизнеспособными альтернативами.
"Полностью твердотельные литий-металлические аккумуляторы рассматривались как будущее накопителей 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 исследователь из WPI-AIMR, Университет Тохоку. "Даже при идеальных условиях выигрыш ограничен, а затраты и производственные проблемы значительны".
Твердотельные литий-металлические аккумуляторы считаются многообещающей технологией следующего поколения благодаря их потенциалу повышения безопасности и энергоэффективности. LLZO, ведущий кандидат на получение твердых электролитов, ценится за его стабильность и ионную проводимость. Однако детальное моделирование практичного ячеистого элемента на основе LLZO ставит под сомнение предположение о том, что этот материал значительно повышает плотность энергии. Исследование показало, что даже при использовании ультратонкого керамического сепаратора LLZO толщиной 25 мкм и катода большой емкости производительность батареи остается лишь незначительно выше, чем у лучших обычных литий-ионных элементов.
Одним из ключевых вопросов, выделенных в исследовании, является плотность LLZO, которая увеличивает общую массу клеток и снижает ожидаемую энергетическую отдачу. Хотя объемная плотность энергии достигает приблизительно 823 Втч/л, дополнительный вес и стоимость LLZO снижают его практичность. Кроме того, хрупкость материала, сложность изготовления тонких листов без дефектов и проблемы с литиевыми дендритами и пустотами на границе раздела еще больше усложняют крупномасштабное внедрение. "LLZO - отличный материал с точки зрения стабильности, но его механические ограничения и малый вес создают серьезные барьеры для коммерциализации", - пояснил Ченг.
В качестве альтернативы исследователи изучают гибридные подходы, которые интегрируют LLZO с другими материалами. Одна из многообещающих стратегий заключается в использовании композитных электролитов LLZO-in-polymer, которые сохраняют высокую ионную проводимость при одновременном повышении гибкости и технологичности. Другим подходом являются квазитвердотельные электролиты LLZO, которые включают небольшое количество жидкого электролита для улучшения переноса ионов и структурной целостности. Эти гибридные конструкции продемонстрировали улучшенную долговременную стабильность.
"Вместо того чтобы сосредотачиваться на полностью керамической твердотельной батарее, нам нужно переосмыслить наш подход", - сказал Ченг. "Комбинируя LLZO с электролитами на полимерной или гелевой основе, мы можем улучшить технологичность, снизить вес и при этом сохранить высокую производительность".
Исследование, опубликованное в журнале Energy Storage Materials, было проведено в сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку, Шанхайского университета Цзяо Тонг, Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Мэдисоне, Университета Джона Хопкинса и Университета Сент-Эндрюс. Подчеркивая ограничения полностью керамических твердотельных аккумуляторов, исследование подчеркивает необходимость практических инженерных решений, которые уравновешивают энергетические характеристики, технологичность и стоимость.
Комментарии