Учёные совершили прорыв в создании твёрдых электролитов для аккумуляторов будущего

Учёные из Японии совершили прорыв в области разработки электролитов, который может приблизить создание аккумуляторов нового поколения. Исследователи из Университета Тохоку подтвердили, что такие методы спекания под давлением, как горячее прессование (HP) и спекание в импульсном электрическом разряде (SPS), являются эффективными для создания аккумуляторов будущего. Твердотельные литиевые металлические батареи привлекают внимание во всём мире как перспективная технология, обещающая более высокую плотность энергии и повышенную безопасность по сравнению с современными литий-ионными аккумуляторами. Команда также отметила, что одним из наиболее многообещающих кандидатов на роль твёрдого электролита является оксид гранатового типа LLZO, который сочетает высокую ионную проводимость с сильной химической стабильностью. Однако задача создания тонких, плотных и свободных от дефектов керамических мембран долгое время оставалась сложной, ограничивая крупномасштабное применение.

Обычно оксидные твёрдые электролиты требуют длительного высокотемпературного спекания, часто длящегося несколько часов при температурах выше 1000 °C. Эти условия приводят к испарению лития, высоким производственным затратам и плохой масштабируемости. Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к методам спекания под давлением, таким как горячее прессование и спекание в импульсном электрическом разряде. В частности, часто считалось, что SPS обладает уникальными преимуществами из-за предполагаемого «плазменного эффекта». Исследование, опубликованное в журнале Small, систематически сравнило эти два метода при обработке LLZO. Результаты показывают, что оба метода достигают почти полного уплотнения, около 98%, менее чем за пять минут, без существенных различий в ионной проводимости или микроструктуре. Исследователи подтвердили, что уплотнение обусловлено приложенным давлением и нагревом, как и при горячем прессовании, а не каким-либо особым «плазменным эффектом».

«Наши выводы показывают, что SPS не является по своей природе превосходящим методом по сравнению с горячим прессованием», — заявили авторы работы. Эти данные помогают как исследователям, так и производителям принимать обоснованные решения, основанные на стоимости, доступности оборудования и масштабируемости, а не на ошибочных представлениях. Результаты исследования оспаривают широко распространённое предположение в этой области и подчёркивают, что метод HP или SPS можно выбирать, основываясь на стоимости, доступности оборудования и потребностях в масштабируемости. Для производителей и исследователей, работающих над продвижением твердотельных батарей, сообщение ясно: оба подхода одинаково эффективны для оксидных твёрдых электролитов, таких как LLZO. Развенчивая миф о превосходстве SPS, это исследование открывает дорогу для более гибких и экономически эффективных производственных стратегий, ускоряя путь к более безопасным и высокопроизводительным твердотельным аккумуляторам. Анализ также подтверждает, что уплотнение в основном определяется нагревом, осуществляемым под давлением. Эта работа даёт представление об оптимизации высокотемпературного спекания плотных оксидных твёрдых электролитов для аккумуляторов следующего поколения.