Ажиотаж или реальность? Новое исследование ставит под сомнение перспективы твердотельных литий-металлических батарей
Вокруг твердотельных литий-металлических батарей (ASSLMB) много ожиданий. Их часто называют будущим хранения энергии. Однако недавнее исследование предлагает трезвый взгляд на ситуацию. Анализ батарей на основе гранатового твердого электролита LLZO (оксид лития-лантана-циркония) показал следующее. Преимущества в плотности энергии могут быть сильно преувеличены. Кроме того, существуют серьезные производственные проблемы.
Оценка плотности энергии: ожидания и реальность
Главное обещание твердотельных батарей – высокая плотность энергии. Теоретически, использование металлического лития в качестве анода позволяет это сделать. Однако исследование, опубликованное в *Energy & Environmental Science*, показало другое. Ученые из Университета Карнеги-Меллона (CMU) и Массачусетского технологического института (MIT) провели расчеты.
Они учли практические аспекты производства и безопасности. Твердый электролит LLZO должен быть достаточно толстым. Минимальная толщина составляет 20-30 микрометров (µm). Это нужно для предотвращения коротких замыканий и обеспечения прочности. Такая толщина добавляет вес и объем батарее.
В итоге, реальный прирост плотности энергии оказался скромным. По сравнению с современными литий-ионными батареями он составил всего 10-35%. Это далеко от ожидаемых в 2-3 раза больших значений. “Мы обнаружили, что при учете необходимых для производства толщин LLZO, прирост плотности энергии невелик,” – говорит Венкат Вишванатан, профессор из CMU.
Производственные барьеры
Создание полностью твердотельных батарей с LLZO сопряжено с трудностями.
- Высокотемпературный синтез: Для получения плотного LLZO требуется спекание при очень высоких температурах (более 1000 °C). Это сложный и энергозатратный процесс.
- Хрупкость: Керамический электролит LLZO очень хрупкий. Это усложняет производство и делает батареи уязвимыми к механическим повреждениям.
- Проблемы на границах раздела: Обеспечить хороший, стабильный контакт между твердым электролитом и твердыми электродами – сложная задача. Плохой контакт увеличивает сопротивление и снижает производительность.
- Необходимость давления: Для эффективной работы таких батарей часто требуется прикладывать значительное внешнее давление. Это усложняет конструкцию и использование устройств.
Эти факторы делают массовое производство полностью твердотельных литий-металлических батарей на основе LLZO очень сложным и дорогим на данном этапе.
Гибридные электролиты как альтернатива?
Исследование предполагает, что более перспективным путем могут быть гибридные электролиты. Они сочетают твердые и жидкие (или полимерные) компоненты.
Преимущества гибридных систем:
- Лучший контакт: Жидкий или полимерный компонент может улучшить ионный контакт на границах раздела.
- Упрощенное производство: Они могут быть менее требовательны к производственным процессам по сравнению с полностью твердыми системами.
- Повышенная безопасность: Даже с небольшим количеством жидкого компонента они безопаснее традиционных литий-ионных батарей с легковоспламеняющимися жидкими электролитами.
Хотя гибридные системы не обеспечивают теоретически максимальную плотность энергии, они могут стать практичным шагом вперед. Они предлагают баланс между производительностью, безопасностью и технологичностью.
Выводы
Новое исследование охлаждает пыл вокруг полностью твердотельных батарей с LLZO. Ожидаемый скачок в плотности энергии может быть не таким большим, как предполагалось. Производственные трудности также остаются серьезным препятствием. Пока путь к действительно революционным твердотельным литий-металлическим батареям долог, гибридные подходы выглядят более реалистичным направлением для ближайшего будущего. Возможно, ажиотаж вокруг полностью твердотельных систем был несколько преждевременным.