Батареи стали неотъемлемой частью современной жизни, обеспечивая энергией смартфоны, электромобили и множество других устройств. Несмотря на свою важность, традиционные аккумуляторы сталкиваются с серьезными проблемами: высокая стоимость, а также риск возгорания или взрыва. Твердотельные батареи давно рассматриваются как более безопасная альтернатива, однако их массовое внедрение сдерживается необходимостью найти баланс между безопасностью, производительностью и доступностью.

Недавно исследовательская группа из Южной Кореи продемонстрировала, что производительность твердотельных батарей можно значительно повысить за счет продуманного структурного дизайна, не прибегая к использованию дорогих металлов.

Прорыв в проектировании твердотельных батарей

7 января KAIST объявил о достижении, которого добилась команда под руководством профессора Донг-Хва Со из кафедры материаловедения и инженерии. В проекте также участвовали исследователи из Сеульского национального университета, Университета Ёнсе и Университета Донгук. Совместно они разработали новый подход к проектированию ключевых материалов для твердотельных батарей, позволяющий использовать недорогие компоненты без ущерба для производительности и безопасности.

Почему твердые электролиты безопаснее, но сложнее для оптимизации

В обычных литий-ионных батареях используется жидкий электролит, который обеспечивает быстрое перемещение ионов лития между электродами. В твердотельных батареях этот компонент заменяется твердым материалом, что значительно повышает безопасность. Однако ионы лития перемещаются через твердые материалы медленнее, и попытки ускорить этот процесс ранее часто требовали применения дорогих металлов или сложных технологий.

Кристаллохимия для ускорения движения лития

Чтобы решить эту проблему, ученые сосредоточились на улучшении перемещения ионов лития через твердые электролиты. Их стратегия заключалась во внедрении так называемых "двухвалентных анионов" — например, кислорода и серы. Эти элементы становятся частью кристаллической структуры электролита, что позволяет изменить пути движения ионов внутри материала.

Команда применила этот подход к недорогим твердым электролитам на основе галогенидов циркония. Тщательно вводя двухвалентные анионы, исследователи смогли точно настроить внутреннюю структуру материала. Такой "механизм регулирования каркаса" расширяет каналы для движения ионов лития и снижает энергетические барьеры, что позволяет ионам перемещаться быстрее и эффективнее.

Современные методы подтверждения эффективности

Для подтверждения структурных изменений и их влияния на движение ионов лития были использованы современные аналитические методы:

• Синхротронная рентгеновская дифракция высокой энергии (Synchrotron XRD)
• Анализ функции парного распределения (PDF)
• Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS)
• Моделирование методом функционала плотности (DFT) для изучения электронной структуры и диффузии

Эти методы позволили детально изучить, как изменяется кристаллическая структура и как это влияет на подвижность ионов лития.

Рост производительности с использованием недорогих материалов

Тесты показали, что добавление кислорода или серы в электролит увеличивает подвижность ионов лития в 2–4 раза по сравнению с обычными циркониевыми электролитами. Это свидетельствует о том, что твердотельные батареи могут достичь уровня производительности, необходимого для практического применения, без использования дорогих материалов.

При комнатной температуре электролит с добавлением кислорода достиг ионной проводимости около 1,78 мСм/см, а с серой — примерно 1,01 мСм/см. Значения выше 1 мСм/см считаются достаточными для использования батарей в реальных условиях.

Переход к более умному дизайну батарей

Профессор Донг-Хва Со отметил, что это исследование предлагает принцип проектирования, который позволяет одновременно улучшить стоимость и производительность твердотельных батарей с использованием дешевых исходных материалов. По его словам, потенциал для промышленного применения очень высок. Ведущий автор Чжэ-Сын Ким подчеркнул, что работа отражает сдвиг в области исследований батарей — от простого выбора новых материалов к созданию более совершенных структур.

Таким образом, инновационный подход к структурному дизайну открывает путь к созданию безопасных, эффективных и доступных твердотельных батарей для широкого применения.