Просто хайп? Твердотельные литий-металлические батареи разочаровали исследователей

Ученые развеяли ожидания относительно перспективности использования твердотельных литий-металлических батарей с оксидом лития-лантана-циркония (LLZO), которые, как ожидалось, должны были бы стать перспективной заменой традиционным литий-ионным аккумуляторам.

В исследовании ученых из Университета Тохоку отмечается, что преимущества в плотности энергии литий-металлических батарей гранатового типа могли быть значительно переоценены. По результатам анализа исследователи установили, что твердотельная литий-металлическая батарея с использованием электролита на основе оксида лития-лантана-циркония достигает гравиметрической плотности энергии всего в 272 Вт-ч/кг, что лишь незначительно превышает показатели современных литий-ионных батарей (250-270 Вт-ч/кг). При этом, учитывая высокие производственные затраты и технические трудности, связанные с изготовлением LLZO, исследователи советуют обратить внимание на композитные и квазитвердотельные электролиты в качестве наиболее практичных альтернатив.

«Полностью твердотельные литий-металлические батареи долгое время считались будущим хранения энергии, но наши результаты показывают, что конструкции на основе LLZO могут не обеспечить ожидаемого скачка плотности энергии. Даже при идеальном сценарии улучшения незначительны, а проблемы в производстве и стоимости остаются существенными», — объясняет ведущий автор исследования и научный сотрудник WPI-AIMR в Университете Тохоку Эрик Цзяньфен Ченг.

Твердотельные литий-металлические батареи многими рассматриваются как наиболее перспективная технология следующего поколения аккумуляторов в связи с их способностью обеспечивать большую безопасность и энергоэффективность. Оксид лития-лантана-циркония является одним из наиболее хорошо изученных твердотельных электролитов, который обладает высокой стабильностью и способностью эффективно проводить ионы лития.

Однако результаты детального моделирования практических образцов на основе LLZO продемонстрировали, что даже при использовании сверхтонкого 25-микрометрового керамического сепаратора и катода высокой емкости, производительность батареи лишь незначительно превосходит наиболее эффективные традиционные литий-ионные аккумуляторы. Одним из ключевых вопросов в исследовании, которое было в центре внимания ученых, стала плотность LLZO, что увеличивает общую массу и снижает ожидаемые энергетические преимущества. Хотя объемная плотность энергии достигает примерно 823 Вт-ч/л, дополнительный вес и стоимость LLZO препятствуют его практичности. Кроме этого отдельно отмечается хрупкость материала, сложность изготовления тонких листов без появления дефектов и проблем с литиевыми дендритами и пустотами у края.

«LLZO — отличный материал с точки зрения стабильности, но его механические ограничения и затраты по весу создают серьезные препятствия для коммерциализации», — отмечает Эрик Цзяньфен Ченг.

В качестве альтернативы исследователи предлагают изучать альтернативные подходы, компонуя LLZO с другими материалами. К примеру, перспективным направлением, по их мнению, является размещение оксида лития-лантана-циркония в полимерах, которые сохраняют высокую ионную проводимость, одновременно повышая гибкость и технологичность. Другим вариантом являются квазитвердотельные электролиты, которые требуют небольшого количества жидкого электролита для улучшения ионной проводимости и структурной целостности.

«Вместо того, чтобы сосредоточиться на полностью керамической твердотельной батарее, нам нужно переосмыслить наш подход, соединив LLZO с полимерными или гелевыми электролитами, мы можем улучшить технологичность, снизить вес и при этом сохранить высокую производительность», — убежден Эрик Цзяньфен Ченг.