Nowy superjonowy elektrolit przewodzący może zwiększyć stabilność całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowo-metalowych

Całkowicie półprzewodnikowe akumulatory litowo-metalowe (LMB) to obiecujące rozwiązania w zakresie magazynowania energii, które zawierają anodę litowo-metalową i elektrolity półprzewodnikowe (SSE) w przeciwieństwie do elektrolitów płynnych występujących w konwencjonalnych akumulatorach litowych. Chociaż półprzewodnikowe akumulatory LMB mogą wykazywać znacznie wyższą gęstość energii w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi (LiB), zawarte w nich elektrolity stałe są podatne na wzrost dendrytów, co zmniejsza ich stabilność i bezpieczeństwo.

Naukowcy z Western University w Kanadzie, University of Maryland w Stanach Zjednoczonych i innych instytutów zaprojektowali niedawno nowy, bogaty w wolne miejsca i superjonowy przewodzący β-Li₃N elektrolit w stanie stałym (SSE). Elektrolit, o którym niedawno pisaliśmy w artykule opublikowany W Nanotechnologia naturymogłoby utrzymać stabilny cykl całkowicie półprzewodnikowych LMB, potencjalnie ułatwiając ich komercjalizację.

„Głównym celem naszej pracy było opracowanie stabilnych litowo, przewodzących superjonowo SSE do całkowicie półprzewodnikowych LMB, ze szczególnym uwzględnieniem ich zastosowania w pojazdach elektrycznych (EV)” – powiedział Phys.org Weihan Li, pierwszy autor artykułu .

„Rynek pojazdów elektrycznych przeżywa szybki rozwój, ale kluczowym ograniczeniem pozostaje krótki zasięg wynoszący 300–400 mil na jednym ładowaniu, głównie ze względu na ograniczoną gęstość energii (~300 Wh/kg) konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych. Całkowicie stałe Baterie litowo-metalowe stanowią obiecujące rozwiązanie tego wyzwania, oferując potencjał osiągnięcia gęstości energii do 500 Wh/kg, zwiększając w ten sposób zasięg jazdy do ponad 600 mil na jednym ładowaniu”.

Jak dotąd kluczowym wyzwaniem w rozwoju całkowicie półprzewodnikowych LMB był brak bezpiecznych, niezawodnych i wysoce wydajnych SSE. Kluczowym celem niedawnej pracy Li i jego współpracowników było zaprojektowanie nowego elektrolitu, który łączy w sobie wysoką stabilność w stosunku do litu metalicznego z wysoką przewodnością jonową.

„Opierając się na naszej wcześniejszej wiedzy na temat SSE, zidentyfikowaliśmy azotki jako klasę materiałów odpornych na lit metaliczny” – powiedział Li. „Jednak konwencjonalne azotki wykazują niską przewodność jonową. Wykorzystując naszą wiedzę na temat mechanizmów przewodzenia litu, zaprojektowaliśmy bogaty w wolne miejsca β-Li₃N SSE.”

We wstępnych testach nowy, bogaty w wolne miejsca β-Li₃N SSE zaprojektowany przez ten zespół naukowców wykazał 100-krotną poprawę przewodności jonowej i większą stabilność w porównaniu z komercyjnym Li₃N. Ten obiecujący materiał może zatem pomóc w przezwyciężeniu ograniczeń zwykle związanych z opracowywaniem wysokowydajnych, całkowicie półprzewodnikowych LMB.

„Nasz projekt bogatego w wolne miejsca β-Li₃N kierował się zrozumieniem mechanizmów przewodnictwa litowo-jonowego” – powiedział Li. „Defekty w strukturze kryształu, takie jak puste miejsca, mogą zmniejszyć bariery energetyczne dla migracji litowo-jonowej i zwiększyć populację mobilnych jonów litu”.

Naukowcy zsyntetyzowali bogate w wolne miejsca β-Li₃N SSE wykorzystujący wysokoenergetyczny proces mielenia kulowego. Proces ten miał na celu wprowadzenie kontrolowanej liczby wolnych miejsc w strukturze materiału, co ostatecznie poprawiło jego właściwości.

„Przewodnictwo jonowe bogatego w wolne miejsca β-Li₃N jest 100 razy większe niż komercyjne Li₃N” – wyjaśnił Li. „Wykazuje doskonałą stabilność chemiczną w stosunku do litu metalicznego, umożliwiając wytwarzanie długotrwałych, całkowicie półprzewodnikowych LMB. Materiał wykazuje również wysoką stabilność w suchym powietrzu, dzięki czemu nadaje się do produkcji na skalę przemysłową w suchych pomieszczeniach.

Kiedy zintegrowali nowo zaprojektowany SSE z LMB, badacze osiągnęli bezprecedensową przewodność jonową dla SSE, sięgającą 2,14 × 10⁻³ S cm⁻¹ w temperaturze 25°C. Symetryczne ogniwa akumulatorowe na bazie elektrolitu osiągały wysokie krytyczne gęstości prądu do 45 mA cm-⁻²i duże pojemności do 7,5 mAh cm-⁻²a także ultrastabilne procesy usuwania i galwanizacji litu przez 2000 cykli.

„W naszym badaniu osiągnięto rekordową przewodność jonową i wyjątkową stabilność w przypadku litu metalicznego w przypadku SSE” – powiedział Li. „Te odkrycia są znaczące, ponieważ dotyczą dwóch najważniejszych wyzwań w rozwoju całkowicie półprzewodnikowych LMB”.

Nowy materiał zsyntetyzowany przez ten zespół naukowców może otworzyć nowe, ekscytujące możliwości wytwarzania całkowicie półprzewodnikowych LMB, potencjalnie zwiększając ich gęstość energii i przyspieszając ich ładowanie. Baterie te można by ostatecznie zintegrować z pojazdami elektrycznymi i innymi dużymi urządzeniami elektronicznymi, aby wydłużyć ich żywotność i skrócić czas potrzebny na ładowanie.

„W przyszłości moje badania skupią się na dwóch głównych kierunkach” – dodał Li. „Z jednej strony moim celem jest sprostanie pozostałym wyzwaniom międzyfazowym w całkowicie półprzewodnikowych LMB, aby jeszcze bardziej poprawić przewodnictwo litowo-jonowe i wydłużyć żywotność baterii. Będzie to obejmować dogłębne badania kinetyki reakcji międzyfazowych i nowatorskie projekty materiałów.

„Jeśli chodzi o inżynierię, planuję stawić czoła praktycznym wyzwaniom, opracowując prototypowe ogniwa i ogniwa woreczkowe na skalę komercyjną oparte na bogatym w wolne miejsca β-Li₃N. Będzie to obejmować optymalizację materiału pod kątem produkcji na dużą skalę i zintegrowanie go z funkcjonalnymi systemami akumulatorów odpowiednimi do zastosowań w świecie rzeczywistym.”

© 2024 Sieć Science X