Химики побили рекорд по ионной проводимости лития для структур аргиродита

14 апреля 2020
195

Химики предложили новый подход к получению твердого электролита для твердотельного литий-ионного аккумулятора на основе галогензамещенного тиофосфата лития со структурой минерала аргиродита. С помощью него они получили материал с рекордной среди материалов такой структуры ионной проводимостью по литию в 10,2 миллисименс на сантиметр. Твердотельный аккумулятор с таким материалом твердого электролита получился проще и быстрее по сравнению предыдущих аналогов.

В твердотельных аккумуляторах вместо жидкого электролита, как в распространенных литий-ионных или кислотно-свинцовых аккумуляторах, используют более безопасный твердый электролит. Такие аккумуляторы обладают большей плотностью запасаемой энергии, быстрее заряжаются и дольше сохраняют свою работоспособность по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. 

На сегодняшний день твердотельные аккумуляторы используются в электрокардиостимуляторах, однако большая стоимость не позволяет заменить литий-ионные аккумуляторы на твердотельные повсеместно. Тем не менее, инженеры активно работают над развитием твердотельных аккумуляторов — в прошлом месяце ученые из Samsung представили прототип такого аккумулятора с композитным анодом из серебра и углерода. За последнее десятилетие было получено много соединений на основе тиофосфатов лития, в которых ионная проводимость по катионам лития оказалась больше десяти милисименс на сантиметр, например, для Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3 — 25 миллисименс на сантиметр. Но эти вещества страдают от таких технологических проблем, как неустойчивость на воздухе, множество компонентов во время синтеза и узкая область концентрации, при которой вещество кристаллизуется. Литиевые материалы со структурой минерала аргиродита — альтернативные кристаллические ионные проводники по катиону лития, которые способны справиться со всеми перечисленными технологическими трудностями за счет своей электрохимической стабильности. Такие ионные проводники ученые все еще получают традиционными методами, включающими в себя сплавление исходных реагентов и твердофазные реакции, что влечет за собой длительность и высокую стоимость синтеза.

Чтобы показать эффективность этого соединения в качестве твердого электролита, химики сконструировали твердотельный аккумулятор, где в качестве анода был выбран ниобат лития, покрытый смешанным оксидом лития, кобальта, никеля и марганца, а в качестве катода — порошок смеси лития и индия. Между катодом и твердым электролитом они добавили слой аналогичного йодного соединения для предотвращения контакта катода и анода. Ученые производили циклы зарядки и разрядки и измеряли вольт-амперные характеристики полученного твердотельного аккумулятора — его изначальная разрядная емкость составила 149,7 миллиампер-часов на грамм, а плотность энергии 319,9 или 37,6 ватт на килограмм в зависимости от нормировки на массу катода или на массу всего аккумулятора. После 11 циклов разрядная емкость составила 114,2 миллиампер-часов на грамм на режиме напряжения в половину максимального, химики объяснили это процессами потери контакта между электролитом и электродами и образование поверхностного слоя между ними. Твердотельные аккумуляторы могут работать не только на основе химических реакций, как в случае с ионным проводником по катиону лития, но и за счет спинтроники. Четыре года назад нидерландские ученые создали рекордное устройство на основе ферромагнетика и сверхпроводника, в котором получили спиновый ток высокой плотности.