Naučnici su otkrili stabilan i visoko provodljiv litijum-jonski provodnik za upotrebu kao čvrsti elektroliti za čvrste litijum-jonske baterije.
Potpuno čvrste litijum-jonske (Li-ion) baterije sa čvrstim elektrolitima su nezapaljive i imaju veću gustinu energije i prenosne brojeve od onih sa tečnim elektrolitima. Očekuje se da će zauzeti udeo na tržištu za konvencionalne litijum-jonske baterije sa tečnim elektrolitom, kao što su električna vozila.
Međutim, uprkos ovim prednostima, čvrsti elektroliti imaju nižu Li-jonsku provodljivost i predstavljaju izazove u postizanju adekvatnog kontakta elektroda-čvrsti elektrolit. Dok su čvrsti elektroliti na bazi sulfida provodni, oni reaguju sa vlagom i formiraju toksični vodonik disulfid. Zbog toga postoji potreba za čvrstim nesulfidnim elektrolitima koji su i provodljivi i stabilni na vazduhu da bi se napravile bezbedne litijum-jonske solid-state baterije visokih performansi koje se brzo pune.
U nedavnoj studiji objavljenoj u časopisu Hemija materijala 28. marta 2024., istraživački tim na čelu sa profesorom Kenjiro Fujimoto, profesorom Akihisa Aimi sa Univerziteta nauke u Tokiju i dr Shuhei Ioshida iz Denso Corporation, otkrio je stabilan i visoko provodljiv Li-jon provodnik u obliku oksifluorida tipa pirohlor.
Prema profesoru Fudžimotu, „Izrada litijum-jonskih sekundarnih baterija u potpuno čvrstom stanju bio je dugogodišnji san mnogih istraživača baterija. Otkrili smo čvrsti oksidni elektrolit koji je ključna komponenta potpuno čvrstog litijum- jonske baterije, koje imaju i visoku gustinu energije i sigurnost. Osim što je stabilan na vazduhu, materijal pokazuje veću jonsku provodljivost od prethodno prijavljenih oksidnih čvrstih elektrolita.“
Oksifluorid tipa pirohlor koji je proučavan u ovom radu može se označiti kao Li 2-k La (1+k)/3 M 2 O 6 F (M = Nb, Ta). Podvrgnuta je strukturnoj i kompozicionoj analizi korišćenjem različitih tehnika, uključujući difrakciju rendgenskih zraka, Rietveldovu analizu, optičku emisionu spektrometriju induktivno spregnute plazme i difrakciju elektrona na odabranoj površini.
Konkretno, razvijen je Li 1,25 La 0,58 Nb 2 O 6 F, koji pokazuje masovnu jonsku provodljivost od 7,0 mS cm⁻¹ i ukupnu jonsku provodljivost od 3,9 mS cm⁻¹ na sobnoj temperaturi. Utvrđeno je da je veća od litijum-jonske provodljivosti poznatih oksidnih čvrstih elektrolita. Energija aktivacije jonske provodljivosti ovog materijala je izuzetno niska, a jonska provodljivost ovog materijala na niskoj temperaturi je jedna od najviših među poznatim čvrstim elektrolitima, uključujući i materijale na bazi sulfida.
Čak i na –10°C, novi materijal ima istu provodljivost kao i konvencionalni čvrsti elektroliti na bazi oksida na sobnoj temperaturi. Štaviše, pošto je provodljivost iznad 100 °C takođe verifikovana, radni opseg ovog čvrstog elektrolita je –10 °C do 100 °C. Konvencionalne litijum-jonske baterije ne mogu se koristiti na temperaturama ispod nule. Zbog toga su radni uslovi litijum-jonskih baterija za najčešće korišćene mobilne telefone od 0 °C do 45 °C.
Istražen je mehanizam provodljivosti Li-jona u ovom materijalu. Put provodljivosti strukture tipa pirohlor pokriva F jone smeštene u tunelima stvorenim MO 6 oktaedrima. Mehanizam provodljivosti je sekvencijalno kretanje Li-jona dok se menjaju veze sa F jonima. Li-joni se kreću do najbliže pozicije Li uvek prolazeći kroz metastabilne pozicije. Nepokretni La 3+ vezan za F jon inhibira provodljivost Li-jona tako što blokira put provodljivosti i nestaje okolnih metastabilnih pozicija.
Za razliku od postojećih litijum-jonskih sekundarnih baterija, sve solid-state baterije na bazi oksida nemaju rizik od curenja elektrolita usled oštećenja i nema rizika od stvaranja toksičnog gasa kao kod baterija na bazi sulfida. Stoga se očekuje da će ova nova inovacija pokrenuti buduća istraživanja.
„Novootkriveni materijal je bezbedan i pokazuje veću jonsku provodljivost od ranije prijavljenih čvrstih elektrolita na bazi oksida. Primena ovog materijala je obećavajuća za razvoj revolucionarnih baterija koje mogu da rade u širokom opsegu temperatura, od niskih do visokih“, kaže prof Fudžimoto. „Smatramo da su performanse potrebne za primenu čvrstih elektrolita za električna vozila zadovoljene.
Značajno je da je novi materijal veoma stabilan i neće se zapaliti ako se ošteti. Pogodan je za avione i druga mesta gde je bezbednost kritična. Takođe je pogodan za aplikacije velikog kapaciteta, kao što su električna vozila, jer se može koristiti na visokim temperaturama i podržava brzo punjenje. Štaviše, to je takođe obećavajući materijal za minijaturizaciju baterija, kućnih aparata i medicinskih uređaja.
Ukratko, istraživači nisu samo otkrili litijum-jonski provodnik sa visokom provodljivošću i stabilnošću vazduha, već su predstavili i novi tip superjonskog provodnika sa oksifluoridom tipa pirohlor. Istraživanje lokalne strukture oko litijuma, njihovih dinamičkih promena tokom provodljivosti i njihovog potencijala kao čvrstih elektrolita za potpuno čvrste baterije su važne oblasti za buduća istraživanja.
