Структура граната Li7La3Zr2O12.
Твердотельні електроліти, що розробляються для використання в літій-іонних батареях, не володіють поки досить високою провідністю. Але останні дослідження демонструють їх значний потенціал в ролі альтернативи більш поширеним рідким електролітам. Ключовий недолік останніх - висока займистість, що обмежує сфери застосування і можливості транспортування літій-іонних батарей.
Недавнє дослідження, проведене в Національній лабораторії Ок-Рідж Міністерства енергетики США, дало багатообіцяючі результати, які можуть радикально поліпшити продуктивність твердотільних електролітів і в перспективі дати життя більш безпечним і притому більш ефективним батареям.
Використовуючи метод дифракції нейтронів, група під керівництвом доктора Ке Аня (Ke An) завершила всебічне дослідження, в рамках якого була вивчена еволюція структури примісних гранатоподібних електролітів в процесі синтезу.
Проблема рідких електролітів, - стверджує Ань, - полягає в тому, що хоча вони можуть забезпечувати високий рівень провідності, при високих напругах або температурах вони стають пожежонебезпечними, через що батареї «вибухають». Твердотельні електроліти на основі примісного літієвого гранату Li7La3Zr2O12 (LLZO) володіють потрібною провідністю і розглядаються як кандидати для використання в повністю твердих літій-іонних батареях. Однак струмопровідна маса у цих електролітів, як правило, втрачає свої властивості через присутність сторонніх фаз: в ході синтезу відбувається зміщення в бік тетрагональної фази, що володіє низькою провідністю. Сконструйовані під час дослідження домішки стабілізують кубічну фазу, що володіє високою провідністю, стримуючи освіту фаз з низькою провідністю. При натурних випробуваннях метод дифракції нейтронів дозволив візуалізувати механізм синтезу твердих літій-іонних провідників. Було виявлено розподіл літієвих вакансій в просторовій решітці і відкритий механізм, що управляє створенням шляхів з високою провідністю методом вибіркового легування.
«Відстежуючи літієві вакансії залежно від температури і домішок, ми знайшли загальне правило, якому підпорядковуються різні присадки, а також механізм перерозподілу вакансій у структурі гранатів, - розповів провідний автор роботи Янь Чень (Yan Chen). - Крім того, комплексний аналіз результатів показав, як домішки контролюють число вакансій і їх розподіл, а також змінюють маршрути носіїв заряду».
Як наголошується в прес-релізі лабораторії, тепер у розпорядженні вчених є перевірений метод досягнення найкращих результатів при роботі з LLZO та іншими гранатоподібними структурами.
