Предыстория:
Исследователи из Циндаоского института биоэнергетики и биотехнологий Китайской академии наук добились значительного прорыва в области твердотельных литиевых батарей, потенциально реализуя мечту о меньших электронных устройствах с увеличенным сроком службы батареи. Это достижение было опубликовано в международном научном журнале Nature Energy 31 июля.
Литий-ионные батареи, используемые в мобильных телефонах, компьютерах и других электронных устройствах, преимущественно хранят и высвобождают энергию через жидкие электролиты. Сейчас ученые исследуют новый тип батарей — твердотельные литиевые батареи. В них используются твердые электролиты вместо жидкостей, что делает их значительно безопаснее.
Хотя твердотельные литиевые батареи кажутся идеальными, их разработка сталкивается с трудностями. Прежде всего, различные химические и физические свойства материалов в катоде батареи затрудняют идеальную совместимость, что приводит к множеству проблем с интерфейсом, которые снижают плотность энергии и срок службы. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа разработала новый материал: гомогенизированный катодный материал (литий-титан-германий-фосфоселенид).
По сравнению с традиционными материалами, это соединение предлагает преимущества, включая высокую электропроводность, высокую плотность энергии и увеличенный срок службы:
Высокая электропроводность:Этот новый материал обладает как высокой ионной, так и электронной проводимостью, превосходя традиционные материалы для батарей (слоистые оксидные катоды) более чем в 1000 раз. Это обеспечивает плавные процессы зарядки и разрядки без использования проводящих добавок, что значительно повышает общую производительность батареи.
Высокая разрядная емкость:Новый материал демонстрирует высокую разрядную емкость 250 мАч на грамм, превосходя используемые в настоящее время высоконикелевые катодные материалы. При эквивалентном весе или объеме батареи, включающие этот материал, могут хранить больше электрической энергии. Это не только обеспечивает более длительную непрерывную работу без частой подзарядки, тем самым повышая выносливость, но и уменьшает размер батареи, облегчая проектирование более компактных устройств.
Небольшое изменение объема:Во время циклов зарядки и разрядки новый материал демонстрирует изменение объема всего на 1,2%, что значительно ниже 50%, наблюдаемых в традиционных слоистых оксидных катодных материалах. Это минимальное изменение объема помогает поддерживать структурную стабильность, тем самым продлевая срок службы батареи.
Высокая плотность энергии:Твердотельные литиевые батареи, использующие этот новый материал, достигают плотности энергии 390 Втч/кг, что на 1,3 раза больше, чем у ранее сообщавшихся твердотельных литиевых батарей с длительным циклом.
Увеличенный срок службы:Твердотельные литиевые батареи, использующие этот материал, выдерживают более 10 000 циклов. После 5000 циклов зарядки батарея сохраняет 80% своей первоначальной емкости, обеспечивая достаточную мощность в течение длительных периодов.
Это исследование обеспечивает решающую техническую поддержку для разработки устройств хранения энергии с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы, предлагая безопасные и долговечные источники питания для новых энергетических транспортных средств, сетей хранения энергии и глубоководного/космического оборудования. Это имеет важное значение для развития новых систем хранения энергии.