Галогенідні катоди переписують межі щільності енергії твердотільних літієвих акумуляторів
Науковці з Далянського інституту хімічної фізики Китайської академії наук та Східного інституту технологій у Нінбо опублікували фундаментальний огляд у журналі National Science Review. Дослідники довели, що використання галогенідних катодних матеріалів відкриває шлях до створення твердотільних літієвих батарей (ASSLB) із рекордною щільністю енергії.
Огляд під керівництвом Сяофей Яна (Xiaofei Yang), Сяньфен Лі (Xianfeng Li) та Сюелян Суна (Xueliang Sun) формує дорожню карту для переходу від традиційних оксидних катодів до багатоелектронних галогенідних систем.
Протягом десятиліть у літій-іонних батареях панували оксиди перехідних металів (як-от LiCoO2 у смартфонах чи LiFePO4 в електромобілях). Вони працюють за принципом інтеркаляції, передаючи один іон літію Li+ на формульну одиницю та забезпечуючи місткість зазвичай нижче 250 мАг·г⁻¹. При спробах підвищити навантаження такі матеріали деградують, деформуються та втрачають стабільність.
Галогенідні матеріали відомі ще з 1960-х років, проте раніше їх майже не використовували через розчинення в рідких електролітах.
«Заявка твердотільних літієвих батарей фундаментально змінює цю картину. Це дозволяє нам повернутися до цих високоємних матеріалів та розкрити їхній потенціал багатоелектронних реакцій», - зазначає Сяофей Ян.
Наприклад, фторид заліза (FeF3) забезпечує місткість 712 мАг·г⁻¹ (майже втричі більше за оксидні катоди), що дає теоретичну щільність енергії 1950 Вт·год·кг⁻¹, а це в 3–4 рази перевищує показники сучасних комерційних аналогів. Інший матеріал - хлорид заліза (FeCl3) - зберігає 83% місткості після 1000 циклів, а його вартість становить лише 2% від вартості LiFePO4.
Автори огляду виділяють дві ключові революційні зміни, які несуть галогенідні катоди.
У класичних твердотільних акумуляторах значна частина об'єму припадає на неактивні добавки (електроліт та вуглець), а контакт «тверде тіло – тверде тіло» сповільнює транспорт іонів та електронів.
Нові галогеніди (наприклад, Li1.3Fe1.2Cl4) демонструють високу іонну (10-4 См·см⁻¹) та електронну (10-5 См·см⁻¹) провідність. Це дозволяє матеріалу виконувати роль власної транспортної мережі для зарядів, практично усуваючи потребу в баластних добавках та забезпечуючи щільність енергії на рівні 529,3 Вт·год·кг⁻¹.
Завдяки поєднанню процесів інтеркаляції та конверсії галогеніди здані залучати декілька електронів на один атом металу.
Головним викликом залишається вузьке вікно електрохімічної стабільності: при високій напрузі виділяється небезпечний газ-галоген, а при низькій - формуються пасивні шари. Для розширення цього вікна вчені застосовують захисні покриття, наноструктурування та зміцнення зв'язків «метал-галоген».
Для прискорення розробок автори пропонують залучати штучний інтелект та високопродуктивне комп'ютерне моделювання для пошуку оптимальних хімічних складів.
У перспективі створення інтегрованих монолітних архітектур, де катод, електроліт та струмознімач розробляються як єдина система, дозволить створити дешевші, безпечніші та значно потужніші джерела живлення для електромобілів і масштабних систем збереження енергії.