Ученый из лаборатории Беркли Ниташ Балсара, работая с коллегой Джозефом ДеСимоуном из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, придумал гибридный электролит с высокой проводимостью, сочетающий в себе два основных типа твердых электролитов — полимер и стекло.
Их открытие подробно описано в «Совместимых стекло-полимерных гибридных одноионно-проводящих электролитах для литиевых батарей», опубликованном в Интернете в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), в соавторстве с исследователями лаборатории Беркли Ируне Вильялуэнга, Кевин Вуйчик. , Вей Тонг, Дидье Дево и Доминика Вонг из U. Северная Каролина. Вильялуэнга, научный сотрудник лаборатории Беркли, сыграл ключевую роль в разработке и реализации твердого электролита; Бальсара и ДеСимоун — старшие авторы.
«Электролит соответствует требованиям, что означает, что он может легко деформироваться, чтобы поддерживать контакт с электродом во время цикла работы батареи, а также имеет беспрецедентную проводимость при комнатной температуре для твердого электролита», — сказал Бальсара.
Электролит несет электрический заряд между катодом и анодом батареи, и в большинстве коммерческих батарей он является жидким. Исследователи стремятся разработать батарею со всеми твердыми компонентами, поскольку она, вероятно, будет работать лучше, прослужит дольше и будет безопаснее.
Два типа твердых электролитов — полимерный и стеклянный или керамический — имеют свой набор проблем.
Полимерные электролиты плохо проводят при комнатной температуре, и их необходимо нагревать. Керамические электролиты, с другой стороны, хорошо проводят при комнатной температуре, но требуют большого давления для поддержания контакта с электродами. «На каждый квадратный сантиметр требуется примерно 1 тонна, поэтому вам понадобится большой грузовик, сидящий на батарее во время цикла», — сказал Балсара.
Новый материал, который они разработали, гибрид стекло-полимера, был получен путем взятия частиц стекла, прикрепления цепей перфторполиэфира к поверхности частиц, добавления соли, а затем создания пленки из этих компонентов. Регулируя соотношение полимера и стекла, они смогли получить совместимый электролит с высокой проводимостью при комнатной температуре и превосходной электрохимической стабильностью.
Хотя проводимость не так хороша, как у жидкого электролита, она примерно в 10-15 раз ниже, «вероятно, этого достаточно для некоторых применений», — сказал Балсара. «Нам не обязательно подбирать жидкий электролит, потому что почти весь ток в гибридном электролите переносится ионом лития. В обычных литиевых электролитах только от 20 до 30 процентов тока переносится ионами лития. Тем не менее, вероятно, что экспериментирование с различными составами стекла, размером частиц, длиной и концентрацией полимерных цепей приведет к улучшенной проводимости."
Исследователи также продемонстрировали, что их гибридный электролит должен быть стабильным с двумя из наиболее многообещающих кандидатов в катоды следующего поколения, которые разрабатываются: серными и высоковольтными катодами, такими как литий-никель-марганцевый оксид кобальта.
«Люди хотели бы использовать 5-вольтовые катоды, но электролиты, устойчивые к этим 5-вольтовым катодам, не всегда доступны», — сказал Балсара. «Мы продемонстрировали, что этот электролит стабилен при 5 В, хотя мы еще не добавили гибридный электролит в катод."
Дальнейшие эксперименты показали, что гибридный электролит может хорошо подходить для работы с серным катодом, который работает при относительно низком напряжении, но имеет преимущества высокой емкости и очень низкой стоимости. Основным видом отказа литий-серных элементов с обычными жидкими электролитами является растворение промежуточных соединений, образующихся при превращении серы в катоде в сульфид лития в электролит.
Однако было обнаружено, что промежуточные соединения нерастворимы в стеклополимерном электролите.
«Хотя еще предстоит проделать большую работу, мы считаем, что наша работа открывает ранее неизвестный путь разработки гибридных твердых электролитов, которые будут решать текущие проблемы литиевых батарей», — написали исследователи в статье PNAS.
Финансирование исследований в лаборатории Беркли было предоставлено Управлением науки Министерства энергетики США через Объединенный центр исследований в области хранения энергии, Центр инноваций Министерства энергетики в области энергетики. Часть работы была выполнена в Стэнфордском источнике синхротронного излучения в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и в усовершенствованном источнике света в лаборатории Беркли, оба Управления научных исследований Министерства энергетики США.
Балсара был одним из соучредителей стартапа по производству аккумуляторов Seeo, основанного в 2007 году для разработки твердого блок-сополимерного электролита. Бальсара и ДеСимоун также соучредили стартап-компанию Blue Current, целью которой является коммерциализация негорючего электролита на основе перфторполиэфира, который они разработали вместе.