Проблема кроется в электролитах – компонентах, через которые перемещаются ионы, создающие заряд. В отличие от текущих батарей с легковоспламеняющимися жидкими электролитами, твердотельные используют твердые материалы. Хотя они безопаснее и теоретически могут хранить вдвое больше энергии, движение ионов в них затруднено.
Открытие техасских ученых заключается в следующем: при соединении двух “разных” твердых электролитов – литий-цирконий хлорида (Li₂ZrCl₆) и литий-иттрий хлорида (Li₃YCl₆) – на их границе самопроизвольно формируется особая зона, названная «слоем пространственного заряда». В этой прослойке скапливаются электрически заряженные частицы (ионы).
Как это работает:
"Представьте смешивание двух ингредиентов, дающее эффект сильнее, чем каждый по отдельности, – объясняет соавтор исследования доктор Лайсуо Су. – Эта прослойка создает своего рода "дорожки", по которым ионы лития двигаются существенно быстрее". Разница в химических свойствах материалов на границе раздела вызывает накопление ионов, что и приводит к резкому увеличению ионной проводимости в этой области.
Значение открытия и преимущества:
Этот эффект границы раздела имеет важные практические последствия для разработки твердотельных батарей для смартфонов, электромобилей и другой электроники:
- Упрощение разработки: отпадает необходимость поиска одного "идеального" твердого электролита. Можно комбинировать разные материалы, используя возникающую на их стыке высокопроводящую зону.
- Повышение энергоемкости: сохраняется ключевое преимущество твердотельных батарей – способность хранить больше энергии на единицу массы/объема.
- Безопасность: использование негорючих твердых электролитов вместо легковоспламеняющихся жидкостей остается.
- Ускоренная зарядка: улучшенная ионная проводимость на границе раздела потенциально позволит батареям заряжаться быстрее.
- Снижение стоимости (потенциальное): возможность использовать более доступные или легко производимые материалы в комбинации.
Для электромобилей это особенно критично, суля увеличение запаса хода, снижение веса батарей и устранение риска возгорания при перегреве.
Текущие ограничения и вызовы:
Несмотря на прорывной характер, технология требует дальнейшей проработки:
- Лабораторный этап: исследование пока проводилось в лабораторных условиях. Поведение и эффективность технологии в реальных устройствах и при масштабировании производства еще предстоит изучить.
- Долговечность: неизвестно, как будет вести себя граница раздела электролитов при длительной эксплуатации. Существует риск ее деградации со временем, что повлияет на срок службы батареи.
- Стоимость материалов: литий-иттрий хлорид (Li₃YCl₆) остается дорогим материалом, что может ограничить широкое коммерческое применение в ближайшей перспективе.
Дальнейшие шаги:
Исследовательская группа в рамках проекта BEACONS планирует детально изучить, как именно состав и микроструктура границы раздела между разными твердыми электролитами влияют на ионную проводимость. Это необходимо для оптимизации материалов и дизайна будущих батарей.