Швейцарские исследователи усовершенствовали состав электролита для долговечных твердотельных аккумуляторов
Аккумулятор FIAMM 12 FLB 400 P
Швейцарская исследовательская группа разработала процесс низкотемпературного спекания и нанесения интерфейсного покрытия, который значительно повышает долговечность твердотельных аккумуляторов на основе аргиродита. Этот подход обеспечивает высокую ионную проводимость и длительный срок службы, сохраняя 75 % ёмкости после 1500 циклов.
Тестовая ячейка полностью твердотельной батареи
Исследовательская группа из швейцарского Института Пауля Шеррера (PSI) разработала новый подход к повышению стабильности и увеличению срока службы полностью твердотельных аккумуляторов (ASSB). Работа сосредоточена на твердом электролите аргиродитового типа Li₆PS₅Cl (LPSCl), который считается одним из самых перспективных материалов для твердотельных аккумуляторов на основе сульфидов.
Исследователи объединили новую технологию спекания с нанесением ультратонкого пассивирующего слоя, чтобы уплотнить электролит и стабилизировать границу раздела с металлическим литием.
«Мы объединили два подхода, которые в совокупности позволяют уплотнить электролит и стабилизировать границу раздела с литием, — говорится в заявлении автора исследования Марио Эль Кацци. — Наш подход — это практическое решение для промышленного производства полностью твердотельных аккумуляторов на основе аргиродита. После внесения нескольких корректировок он может быть готов к производству».
По словам ведущего автора исследования Джинсона Чжана, оптимизированная аккумуляторная ячейка продемонстрировала высокие электрохимические показатели. В ходе тестирования ячейка сохранила около 75 % своей первоначальной ёмкости после 1500 циклов зарядки и разрядки. «Стабильность циклов при высоком напряжении была поразительной, — сказал Чжан. — Эти показатели являются одними из лучших на сегодняшний день».
LPSCl — это твёрдый электролит на основе сульфида, состоящий из лития, фосфора и серы. Несмотря на высокую ионную проводимость, его коммерческое применение ограничено сложностью достижения достаточной плотности для предотвращения образования пустот, в которые могут проникать литиевые дендриты.
В предыдущих исследованиях для уплотнения материала использовалось либо очень высокое давление при комнатной температуре, либо сочетание давления и температуры выше 400 °C. Однако эти методы часто приводили к образованию пористой микроструктуры, чрезмерному росту зёрен и разрушению твёрдого электролита, что снижало производительность и стабильность аккумуляторов.
Производство гранул и пассивация поверхности
Чтобы решить эти проблемы, команда разработала процесс спекания при низкой температуре и низком давлении. Порошок LPSCl сначала подвергался одноосному прессованию при давлении 380 МПа и комнатной температуре в перчаточном боксе. Полученные методом холодного прессования гранулы затем перемещались в вакуумную камеру, соединённую с перчаточным боксом, и прессовались при давлении 50 МПа в течение шести часов при температурах 60 °C, 80 °C и 100 °C.
Оптимальным оказалось спекание при температуре 80 °C, которое улучшило однородность поверхности и плотность гранул LPSCl, а также снизило пористость и повысило ионную проводимость.
На втором этапе на металлическую фольгу из лития толщиной 50 мкм при комнатной температуре методом электронно-лучевого испарения были нанесены ультратонкие слои фторида лития (LiF). Покрытие из LiF выполняет две функции: оно подавляет электрохимическое разложение твердого электролита при контакте с литием и служит физическим барьером для проникновения литиевых дендритов.
Исследователи оценили толщину LiF в 40 нм, 65 нм, 100 нм и 130 нм. Оптимальной оказалась толщина в 65 нм, обеспечивающая равномерное покрытие, которое улучшило межфазный контакт и стабилизировало формирование межфазы твёрдый электролит (МЭТ).
«Эта двойная модификация удваивает критическую плотность тока литиевых симметричных элементов с 1,1 мА/см² до 2,2 мА/см²», — заявили исследователи. «В полноэлементных ячейках с катодами LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂ (NCM811) стабильная работа была достигнута в течение более чем 2700 циклов при токе 1 мА см⁻² и ёмкости 1,5 мАч см⁻², при этом после 1500 циклов ёмкость сохранялась на уровне 75 %».
Система была представлена в статье «Синергетический эффект мягкого спекания твёрдого электролита и пассивации поверхности лития для повышения эффективности циклирования металлического лития в полностью твёрдотельных батареях», опубликованной в Advanced Science.