Теперь, впервые, команда из Массачусетского технологического института исследовала механические свойства материала твердого электролита на основе сульфида, чтобы определить его механические характеристики при включении в батареи.Новые результаты были опубликованы на этой неделе в журнале Advanced Energy Materials в статье Фрэнка МакГрогана и Тушара Свами, аспирантов Массачусетского технологического института; Кристин Ван Влит, профессор материаловедения и инженерии Майкла (1949) и Сони Кёрнер; Йет-Мин Чан, профессор материаловедения и инженерии; и четверо других, включая студента, участвующего в программе Национального научного фонда по исследованиям для студентов (REU), проводимой Центром материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института и его Центром обработки материалов.Литий-ионные батареи представляют собой легкое решение для хранения энергии, которое позволяет использовать многие современные высокотехнологичные устройства, от смартфонов до электромобилей. Но замена обычного жидкого электролита твердым электролитом в таких батареях может иметь значительные преимущества.
Такие полностью твердотельные литий-ионные батареи могут обеспечить еще большую способность аккумулировать энергию, фунт за фунтом, на уровне аккумуляторной батареи. Они также могут практически исключить риск появления крошечных пальцевидных металлических выступов, называемых дендритами, которые могут прорастать через слой электролита и приводить к коротким замыканиям.
«Батареи с прочными компонентами являются привлекательными вариантами производительности и безопасности, но остаются еще несколько проблем», — говорит Ван Влит. В литий-ионных батареях, которые сегодня доминируют на рынке, ионы лития проходят через жидкий электролит, чтобы попасть от одного электрода к другому, пока батарея заряжается, а затем протекают в противоположном направлении по мере использования. Эти батареи очень эффективны, но «жидкие электролиты имеют тенденцию быть химически нестабильными и даже горючими», — говорит она. «Так что, если бы электролит был твердым, он мог бы быть безопаснее, а также меньше и легче».Но большой вопрос, связанный с использованием таких твердотельных батарей, заключается в том, какие механические напряжения могут возникать в материале электролита, когда электроды заряжаются и разряжаются многократно.
Этот цикл заставляет электроды набухать и сжиматься, когда ионы лития входят в их кристаллическую структуру и выходят из нее. В жестком электролите эти изменения размеров могут привести к высоким напряжениям. Если электролит также является хрупким, это постоянное изменение размеров может привести к трещинам, которые быстро ухудшают характеристики батареи, и даже могут создать каналы для образования повреждающих дендритов, как это происходит в батареях с жидким электролитом. Но если материал устойчив к разрушению, эти напряжения можно выдержать без быстрого растрескивания.
Однако до сих пор чрезвычайная чувствительность сульфида к нормальному лабораторному воздуху представляла проблему для измерения механических свойств, включая его вязкость разрушения. Чтобы обойти эту проблему, члены исследовательской группы провели механические испытания в ванне с минеральным маслом, защищая образец от любых химических взаимодействий с воздухом или влагой. Используя эту технику, они смогли получить подробные измерения механических свойств литий-проводящего сульфида, который считается многообещающим кандидатом для электролитов в полностью твердотельных батареях.
«Есть много разных кандидатов на роль твердых электролитов», — говорит МакГроган. Другие группы изучали механические свойства литий-ионных проводящих оксидов, но до сих пор было мало работ по сульфидам, хотя они особенно многообещающие из-за их способности легко и быстро проводить ионы лития.Предыдущие исследователи использовали методы акустических измерений, пропуская звуковые волны через материал, чтобы исследовать его механическое поведение, но этот метод не дает количественной оценки сопротивления разрушению. Но новое исследование, в котором использовался зонд с тонким наконечником для проникновения в материал и отслеживания его реакции, дает более полную картину важных свойств, включая твердость, вязкость разрушения и модуль Юнга (мера способности материала к растяжению). обратимо под действием приложенного напряжения).
«Исследовательские группы измерили упругие свойства твердых электролитов на основе сульфидов, но не свойства разрушения», — говорит Ван Влит. Последние имеют решающее значение для прогнозирования того, может ли материал треснуть или расколоться при использовании в аккумуляторной батарее.
Исследователи обнаружили, что этот материал имеет комбинацию свойств, отчасти аналогичных глупой замазке или ириске из соленой воды: под воздействием напряжения он может легко деформироваться, но при достаточно высоком напряжении он может треснуть, как хрупкое стекло.Зная эти свойства в деталях, «вы можете рассчитать, какое напряжение может выдержать материал до того, как он сломается», и спроектируйте аккумуляторные системы с учетом этой информации, говорит Ван Влит.
По словам Макгрогана, этот материал оказывается более хрупким, чем было бы идеально для использования в батареях, но пока его свойства известны и системы разработаны соответствующим образом, он все еще может иметь потенциал для такого использования. «Вы должны строить дизайн вокруг этих знаний».