Нейтронный анализ помог в создании твердотельного электролита

Твердотельные электролиты, разрабатываемые для использования в литий-ионных батареях, не обладают пока достаточно высокой проводимостью. Но последние исследования демонстрируют их значительный потенциал в роли альтернативы более распространённым жидким электролитам. Ключевой недостаток последних — высокая воспламеняемость, что ограничивает сферы применения и возможности транспортировки литий-ионных батарей.

Недавнее исследование, проведённое в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США, дало многообещающие результаты, которые могут радикально улучшить производительность твердотельных электролитов и в перспективе дать жизнь более безопасным и притом более эффективным батареям.

Используя метод дифракции нейтронов, группа под руководством доктора Кэ Аня (Ke An) завершила всестороннее исследование, в рамках которого была изучена эволюция структуры примесных гранатоподобных электролитов в процессе синтеза.

Проблема жидких электролитов, — утверждает Ань, — заключается в том, что хотя они могут обеспечивать высокий уровень проводимости, при высоких напряжениях или температурах они становятся пожароопасными, из-за чего батареи «взрываются». Твердотельные электролиты на основе примесного литиевого граната Li7La3Zr2O12 (LLZO) обладают нужной проводимостью и рассматриваются как кандидаты для использования в полностью твёрдых литий-ионных батареях. Однако токопроводящая масса у этих электролитов, как правило, теряет свои свойства ввиду присутствия посторонних фаз: в ходе синтеза происходит смещение в сторону тетрагональной фазы, обладающей низкой проводимостью. Сконструированные в ходе исследования примеси стабилизируют обладающую высокой проводимостью кубическую фазу, сдерживая образование фаз с низкой проводимостью.

При натурных испытаниях метод дифракции нейтронов позволил визуализировать механизм синтеза твёрдых литий-ионных проводников. Было выявлено распределение литиевых вакансий в пространственной решётке и открыт механизм, управляющий созданием путей с высокой проводимостью методом выборочного легирования.

«Отслеживая литиевые вакансии в зависимости от температуры и примесей, мы нашли общее правило, которому подчиняются различные присадки, а также механизм перераспределения вакансий в структуре гранатов, — рассказал ведущий автор работы Янь Чэнь (Yan Chen). — Кроме того, комплексный анализ результатов показал, как примеси контролируют число вакансий и их распределение, а также меняют маршруты носителей заряда в твёрдом электролите».

Как отмечается в пресс-релизе лаборатории, теперь в распоряжении учёных имеется проверенный метод достижения наилучших результатов при работе с LLZO и другими гранатоподобными структурами.

Максим Рославлев :