В поисках идеальной батареи ученые преследуют две основные цели: создать устройство, способное хранить большое количество энергии и которое было при этом безопасным. Многие батареи содержат жидкие электролиты, которые потенциально легко воспламеняются.

Твердотельные литий-ионные батареи, состоящие из полностью твердых компонентов, становятся все более привлекательными для ученых, поскольку они предлагают заманчивое сочетание более высокой безопасности и повышенной плотности энергии.

Исследователи из Университета Ватерлоо (Канада) обнаружили новый твердый электролит, который предлагает несколько важных преимуществ. Этот электролит, состоящий из лития, скандия, индия и хлора, хорошо проводит ионы лития, но плохо проводит электроны. Эта комбинация необходима для создания полностью твердотельной батареи, которая работает без существенной потери емкости в течение более ста циклов при высоком напряжении (выше 4 вольт) и тысяч циклов при промежуточном напряжении. Хлоридная природа электролита является ключом к его стабильности при рабочих условиях выше 4 вольт, что означает, что он подходит для типичных катодных материалов, которые составляют основу современных литий-ионных элементов.

«Главная привлекательность твердотельного электролита заключается в том, что он не может загореться и позволяет эффективно размещать его в аккумуляторной ячейке. Мы были рады продемонстрировать стабильную работу при высоком напряжении», — рассказала Линда Назар, заслуженный профессор химии Университета Ватерлоо.

Текущие версии твердотельных электролитов в значительной степени сосредоточены на сульфидах, которые окисляются и разлагаются при напряжении выше 2,5 вольт. Следовательно, они требуют включения изолирующего покрытия вокруг материала катода, которое работает при напряжении выше 4 вольт, что ухудшает способность электронов и ионов лития перемещаться из электролита в катод.

«С сульфидными электролитами у вас есть своего рода головоломка — вы хотите изолировать электролит от катода электронным способом, чтобы он не окислялся, но вам все еще требуется электронная проводимость в материале катода», — добавила Назар.

Хотя группа Назар не была первой, кто изобрел хлоридный электролит, решение заменить половину индия на скандий, основанное на их предыдущей работе, оказалось выигрышным с точки зрения более низкой электронной и более высокой ионной проводимости.

«Хлоридные электролиты становятся все более привлекательными, потому что они окисляются только при высоких напряжениях, а некоторые из них химически совместимы с лучшими катодами, которые у нас есть», — отметила ученый.

Один из химических ключей к ионной проводимости лежит в перекрещивающейся трехмерной структуре материала шпинель. Исследователи должны были сбалансировать две конкурирующие между собой задачи — загрузить шпинель как можно большим количеством ионов, несущих заряд, но также оставить участки открытыми для движения ионов.

«Представьте, что вы устраиваете вечеринку — вы хотите, чтобы люди пришли, но не хотите, чтобы их было слишком много», — сказала Назар.

По ее словам, при идеальной ситуации половина мест в структуре шпинели должна была быть занята литием, а другая половина оставалась бы открытой.