Nový kryštál môže pomôcť znížiť hmotnosť pevných batérií bez obetovania rýchlosti

Nový identifikovaný kryštálový rámec môže pomôcť riešiť kľúčovú výzvu, ktorej čelí všetky pevné lítiové batérie: zvyšovanie energetickej hustoty bez pridávania hmotnosti.

Výskumníci z Univerzity elektrokomunikácií (UEC Tokio) a spoločnosti Nichia Corporation preskúmali pevnú elektrolytovú zmes, ktorá sa primárne skladá z relatívne ľahkých prvkov. Materiál, RbLi(Li₃SiO₄)₂, má teoretickú hustotu 2,74 gramov na kubický centimeter, čo je podstatne menej ako hustota 5,12 g/cm³ uvádzaná pre niektoré široko skúmané oxidové pevné elektrolyty obsahujúce ťažšie prvky ako lanthan a zirkón.

Výskumníci zistili, že kryštálová štruktúra materiálu môže podporovať rýchly pohyb lítiových iónov prostredníctvom trojrozmernej transportnej siete. Tím však tiež identifikoval úzke miesto, ktoré v súčasnosti obmedzuje vodivosť v stechiometrických vzorkách, čo naznačuje možnú cestu na zlepšenie materiálu zmenou jeho zloženia.

Ľahšia cesta k pevným batériám

Pevné lítiové batérie nahrádzajú horľavý kvapalný elektrolyt nachádzajúci sa v konvenčných lítiovo-iónových batériách pevným elektrolytom. To môže zlepšiť bezpečnosť a potenciálne umožniť rýchle nabíjanie a vyšší výkon batérií.

Hmotnosť samotného pevného elektrolytu však môže ovplyvniť gravimetrickú energetickú hustotu batérie a množstvo energie, ktoré môže uložiť vzhľadom na svoju hmotnosť. Výskumníci sa preto obrátili na kryštálový rámec typu UCr₄C₄ materiálu RbLi(Li₃SiO₄)₂. Tento materiál má monoklinickú kryštálovú štruktúru a teoretickú hustotu 2,74 g/cm³.

Na prvý pohľad sa zdá, že rámec poskytuje jednorozmerné cesty pre lítiové ióny pozdĺž jedného kryštalografického smeru. Počítačové simulácie však ukázali, že tieto kanály sú navzájom prepojené, čím vytvárajú trojrozmernú sieť, cez ktorú môžu lítiové ióny prechádzať. Táto prepojená štruktúra by mohla pomôcť zabrániť lokalizovaným kryštálovým defektom v úplnom blokovaní transportu iónov.

Lítiové ióny čelí nezvyčajne nízkemu migračnému bariéru

Výskumníci použili experimentálnu syntézu spolu s výpočtovými metódami, vrátane preferovanej potenciálnej molekulárnej dynamiky a výpočtov hustotnej funkcionálnej teórie, na preskúmanie toho, ako lítium prechádza materiálom.

Ich simulácie zistili migračnú bariéru lítiových iónov iba 0,30 elektronvoltov (eV) cez intersticiálne miesta. Nižšia migračná bariéra zvyčajne znamená, že ióny môžu prechádzať materiálom ľahšie.

Výskumníci pripisujú nízku bariéru silnej Coulombovej odpudivosti medzi susednými lítiovými iónmi. Uvedená hodnota je tiež blízka 0,26 eV migračnej bariére uvádzanej pre garnetový typ Li₇La₃Zr₂O₁₂, ktorý je referenčným pevným elektrolytom obsahujúcim podstatne ťažšie prvky.

Tento výsledok naznačuje, že kryštálový rámec má štrukturálne charakteristiky potrebné pre rýchly transport lítiových iónov. Avšak nízka energia migrácie iónov sama o sebe nezaručuje vysokú celkovú vodivosť.

Defekty sú súčasným úzkym miestom