Гибридная керамика

Будущие поколения твердотельных литий-ионных батарей на основе гибридных керамико-полимерных электролитов могут предложить потенциал для более эффективного хранения энергии, более быстрой перезарядки и более высокой электрохимической и термической стабильности, одновременно преодолевая многие технологические проблемы, связанные с более ранними твердотельными батареями. .

В Технологическом институте Джорджии (Технологический институт Джорджии) исследователи работают над расширением фундаментального понимания этих гибридных электролитов, компонента, который передает заряд между электродами в системах питания батарей, таких как электромобили (EV), а затем перезаряжаются. Литий-ионные аккумуляторы, широко используемые в современных электромобилях, основаны на жидких электролитах, которые в случае повреждения подвержены тепловому выходу и возгоранию.

«Мы показали, что можем изготовить эти гибридные твердотельные электролиты и поместить их в монетообразные элементы, чтобы продемонстрировать высокую производительность и высокую стабильность», — сказал Илан Стерн, главный научный сотрудник, который возглавляет исследования аккумуляторов в Технологическом исследовательском институте Джорджии (США). GTRI), организация прикладных исследований Технологического института Джорджии. «Мы заложили основу, чтобы показать, что мы можем разрабатывать инновации в твердотельных батареях на основе этих керамико-полимерных гибридов. Наш следующий шаг — интеграция этой технологии в аккумуляторные батареи, тип батарей, используемых в электромобилях».

Исследователи GTRI работают с коллегами из Школы машиностроения Джорджа Вудраффа, Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии и Института стратегической энергетики над исследованием электролита, известного как литий-алюминий-германий-фосфат (LAGP). Полимерный компонент, известный как поли-ДОЛ, окружает электролит LAGP, обеспечивая внутреннюю ионную проводимость, которая значительно превосходит существующие керамические электролиты, без недостатков легковоспламеняющихся жидкостей. Производственную группу и научное сотрудничество возглавляет Джинхо Пак, научный сотрудник GTRI. Синтезом керамики LAGP руководит Джейсон Надлер, главный научный сотрудник GTRI.

Стерн описывает традиционные керамические электролиты как леденцы (например, M&Ms), которые засыпают в пространство между анодом и катодом батареи. Твердая керамика обеспечивает преимущества безопасности и накопления энергии, но ограничена в степени контакта с электродами для передачи ионных зарядов. Добавление полимера значительно улучшает межфазный контакт между электродами и электролитом, сохраняя при этом большинство преимуществ керамики.

«Электрохимическая стабильность, термическая стабильность и механическая стабильность будут основными различиями между жидкими электролитами и этими гибридами», — сказал он. «Мы действительно берем лучшее из обоих миров. Поскольку твердотельные батареи позволяют использовать литий-металлический анод, потолок емкости значительно выше, поэтому в конечном итоге мы должны увидеть резкое увеличение плотности энергии по сравнению с традиционными батареями. Литий-ионные аккумуляторы на основе жидких электролитов».

Гибридный керамико-полимерный электролит внешне напоминает хоккейную шайбу, но будет более устойчив к повреждениям, чем чистая керамика. «Она, безусловно, будет гораздо более щадящей, чем керамика», — сказал Стерн. «Даже если появятся микротрещины, полимер станет каркасом, обеспечивающим целостность, структурно удерживая его вместе».

Твердотельные аккумуляторы еще не используются в коммерческих целях, но по крайней мере один производитель электромобилей планирует внедрить их в автомобили в течение следующих нескольких лет, поскольку производители аккумуляторов продолжают вносить улучшения. Но эта технология гораздо менее зрела, чем существующие системы жидкого электролита, поэтому требуются такие инновации, как гибридная система, над которой работают исследователи Технологического института Джорджии.

Исследование частично поддерживается трехлетним независимым обязательством по исследованиям и разработкам от GTRI в размере 1,1 миллиона долларов. «Благодаря беспрецедентным инвестициям федерального правительства и штата в Джорджию в электромобили, производство аккумуляторов и переработку, GTRI продолжает налаживать тесное сотрудничество, чтобы помочь выявить пробелы и новые бизнес-модели, а также спрогнозировать количество и типы заводов по переработке отходов, необходимых для реагирования на будущие требования рынка», — добавил Стерн.