Нейтронная дифракция указывает путь создания безопасных батарей

Твёрдые электролиты для литий-ионных батарей рассматриваются как пожаробезопасная альтернатива жидким, однако в настоящее время они уступают последним по электропроводности.

Появлению более безопасных и, в то же время, эффективных батарей могут способствовать новые результаты полученные с применением установки по бомбардировке нейтронами, Spallation Neutron Source (SNS), Окриджской Национальной Лаборатории Министерства энергетики США. Они недавно были опубликованы в журналах Chemistry of Materials и Journal of Materials Chemistry A

Используя методы нейтронной дифракции и инструмент VULCAN на седьмом отводе SNS, группа под руководством Ке Ана (Ke An) изучила в деталях эволюцию структуры легированных электролитов гранатного типа в процессе их синтеза. Это позволило выявить механизм, ответственный за увеличение их ионной проводимости.

Для того, чтобы достичь желаемого уровня проводимости в твёрдом электролите, необходимы цепочки вакансий в его кристаллической структуре, по которым, перескакивая с одной на другую, могли бы перемещаться ионы. В этом отношении весьма перспективны цирконаты лития лантана или материалы на основе Li₇La₃Zr₂O₁₂ с кубической структурой граната. Однако, как отмечает Ан, в синтезированных гранатах часто развиваются нежелательные вторичные фазы с низкой проводимостью, которые ухудшают качество электролита.

С помощью установки VULCAN ученые смогли визуализировать в реальном времени структуру материала без вмешательства в процесс синтеза граната. Они выяснили, что воспрепятствовать формированию вторичных фаз при термообработке можно путём легирования материала следовыми количествами различных элементов, обладающих высокой валентностью — способностью образовывать связи. Наряду с подавлением нежелательных фаз при этом растёт число полезных вакансий для ионного транспорта, что является залогом раскрытия высокого электролитического потенциала граната.

Эксперименты команды Ана предоставили материаловедам способ, позволяющий гарантированно получать высокую ионную проводимость, выбирая с помощью простой формулы подходящий легирующий элемент с нужной валентностью — то, что раньше делалось методом проб и ошибок с большими затратами денег и времени.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365