Revoluční baterie: Tekutá rychlost v pevné formě pro bezpečnější a výkonnější akumulátory

Tým čínských výzkumníků přišel s průlomovým objevem v oblasti pevnolátkových baterií. Vyvinuli flexibilní kompozitní pevný elektrolyt, který dosahuje vodivosti srovnatelné s tekutými elektrolyty, a to bez nutnosti vnějšího tlaku. Tento pokrok má potenciál zjednodušit design všech pevnolátkových lithiových baterií, které se dosud potýkaly s kompromisem mezi rychlým transportem iontů a mechanickou stabilitou.

Pevné elektrolyty jsou klíčové pro bezpečnější a energeticky účinnější baterie, protože nahrazují hořlavé tekuté elektrolyty. Mnoho vysoce vodivých pevných materiálů je však křehkých a vyžaduje značný tlak k udržení kontaktu mezi součástmi baterie, což zvyšuje složitost a náklady celého systému. Nový design tento problém řeší oddělením transportu iontů od mechanické flexibility v rámci vrstvené struktury. Místo spoléhání se na jeden materiál, který by plnil všechny funkce, tým vytvořil kompozitní architekturu, kde různé vrstvy mají přidělené specifické funkce.

Elektrolyt se skládá z alternujících vrstev, které jsou v pravém úhlu zarovnány – jedná se o vrstvy LixMyPS3 (označované jako LiMPS, kde M je Cd nebo Mn) a vrstvy polyethylenoxidu. Anorganické nanočástice vytvářejí kontinuální superiontové dráhy, zatímco polymerové vrstvy zajišťují flexibilitu a pomáhají udržovat těsný kontakt s elektrodami.

Dosažení vodivosti na úrovni tekutin

Při testech dosáhla verze PA-LiCdPS/PEO iontové vodivosti 10,2 mS cm⁻¹ při 25 °C, což je úroveň srovnatelná s tekutými elektrolyty. Podobná struktura s manganem, PA-LiMnPS/PEO, dosáhla vodivosti 6,1 mS cm⁻¹ při stejné teplotě, což dokazuje, že koncept struktury funguje napříč různými chemiemi. Kromě vodivosti si materiál zachoval i mechanickou flexibilitu. Tato flexibilita umožnila článkům baterií přizpůsobit se změnám objemu elektrod během cyklování bez nutnosti velkého vnějšího tlaku. Většina vysoce vodivých pevných elektrolytů vyžaduje pro správnou funkci vnější tlak v rozsahu několika až stovek MPa.

Výzkumníci demonstrovali funkčnost elektrolytu v pracovních článcích baterií. Použitím materiálu PA-LiCdPS/PEO si knoflíkové články Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂ při tlaku pod 0,5 MPa zachovaly 92 % své kapacity po 600 cyklech při 0,2 mA cm⁻². Stejný elektrolyt umožnil i provoz pouzdrových článků Li||LiFePO₄ bez vysokého tlaku, při tlaku pod 0,1 MPa.

Odstranění potřeby vysokého tlaku zjednodušuje výrobu a umožňuje snadnější škálování bateriových sad. Tým se také zaměřil na běžnou slabinu sulfidových elektrolytů: citlivost na vzduch. Konvenční sulfidové materiály se mohou vlivem vlhkého vzduchu degradovat během minut a často uvolňovat sirovodík. Naopak elektrolyty PA-LiMPS/PEO si po sedmi dnech expozice vlhkému vzduchu zachovaly vysokou vodivost s minimálním uvolňováním H₂S.

Vytvořením kontinuálních superiontových drah uvnitř biomimetického flexibilního rámce vědci ukázali, že vysoká iontová vodivost a mechanická poddajnost nemusí být v rozporu. Místo kompromisu jedné vlastnosti na úkor druhé umožňuje vrstvená architektura jejich koexistenci. Pokud bude tento přístup škálovatelný, mohl by přiblížit pevnolátkové baterie praktickému využití v elektrických vozidlech a úložištích energie, kde jsou bezpečnost, odolnost a zjednodušená montáž klíčové. Studie byla publikována v časopise Nature Nanotechnology.