Материалы для сборки и изготовления твердотельных li-ion аккумуляторов

Твердотельные литий-ионные аккумуляторы стали важным объектом исследований благодаря более высокой безопасности, плотности энергии и более высокой рабочей температуре по сравнению с коммерческими литий-ионными аккумуляторами с жидким органическим электролитом.

Литий-ионный аккумулятор состоит из катода, анода, сепаратора и электролита. Литий-ионный аккумулятор, используемый в смартфонах, электроинструментах и электромобилях, использует жидкий электролит. С другой стороны, в твердотельном аккумуляторе используется твердый электролит, а не жидкий.

Последние достижения в исследованиях аккумуляторов связаны с применением твердых электролитов. Основные преимущества твердых электролитов заключаются в том, что отсутствует риск утечки и значительно уменьшаются проблемы разложения электролита. Твердые электролиты обычно имеют лучший диапазон электрохимической стабильности, более высокую термическую стабильность и хорошее электронное сопротивление. Кроме того, можно отказаться от сепаратора и защитной упаковки, что увеличит плотность энергии и позволит упростить конструкцию батареи. Твердотельные батареи основаны на построении твердых пленок из материала анода, твердого электролита и катода, последовательно расположенных на подложке (или наоборот). На рисунке показано схематическое поперечное сечение такой конструкции литиевой батареи. Однако основным ограничением твердых электролитов является их ионная проводимость, которая ниже, чем у их жидких аналогов.

Твердотельные электролиты подразделяются на органические и неорганические твердые электролиты. Органические электролиты пригодны для создания гибких конструкций аккумуляторов благодаря своим мягким внутренним свойствам. Однако эти материалы сталкиваются с другими проблемами, такими как низкая проводимость по Li⁺ (< 10^-5 См·см^-1 при комнатной температуре), большое сопротивление ионному переносу и окисление при высоких напряжениях. Неорганические твердые электролиты состоят из неорганического материала в кристаллическом или стеклообразном состоянии, который проводит ионы путем диффузии через решетку. Неорганические твердотельные электролиты могут быть на основе оксидов, сульфидов или фосфатов. Тем не менее, самая высокая литий-ионная проводимость в твердом материале составила ~ 10^-2 См · см^-1 у суперионного проводника на основе сульфида Li₁₀GeP₂S₁₂. Хотя эта структура обладает превосходной проводимостью по литию, она оказывается очень реакционноспособной. Ограниченная стабильность этого материала препятствует его практическому использованию.

Одной из частых проблем электролитов с высокой ионной проводимостью является ограниченный диапазон стабильности. Еще одним интересным электролитом является литий-фосфатное стекло, легированное азотом (Li_xPO_yN_z). Хотя LiPON не обладает чрезвычайно высокой проводимостью лития (~ 10^-6 См · см^-1), он демонстрирует удивительно широкий диапазон электрохимической стабильности в диапазоне от 0 до 5.5 В vs к Li⁺/Li. Кроме того, он имеет низкую электронную проводимость (~ 10^-14 См·см^-1) и, таким образом, позволяет использовать батареи с очень низкой скоростью саморазряда. Способом компенсировать более низкую ионную проводимость твердых электролитов является дальнейшее уменьшение толщины слоев твердого электролита. Слой электролита толщиной 100 нм и проводимостью 10^-6 См·см^-1 будет иметь такое же ионное сопротивление, как и электролит толщиной 10 мкм с проводимостью 10^-4 См·см^-1. Поэтому их толщина обычно ограничивается несколькими десятками нм, чтобы гарантировать достаточный транспорт ионов лития. В настоящее время твердотельные аккумуляторы нашли применение в кардиостимуляторах, устройствах радиочастотной идентификации (RFID) и носимых устройствах. Увеличение использования твердотельных батарей в здравоохранении, носимых устройствах и дронах стимулирует рост твердотельных батарей.