Батареялар қазіргі заманғы өмірдің ажырамас бөлігіне айналды – олар смартфондар, электромобильдер және көптеген басқа құрылғыларды қуатпен қамтамасыз етеді. Маңыздылығына қарамастан, дәстүрлі аккумуляторлар бірқатар күрделі мәселелерге тап болады: олардың бағасы жоғары, ал өрт немесе жарылу қаупі бар. Қатты күйдегі батареялар қауіпсіз балама ретінде бұрыннан қарастырылып келеді, бірақ олардың кеңінен таралуына қауіпсіздік, өнімділік және қолжетімділік арасындағы тепе-теңдікті табу қажеттілігі кедергі болып отыр.

Жақында Оңтүстік Кореялық зерттеушілер тобы қымбат металдарды пайдаланбай-ақ, құрылымдық дизайнды жетілдіру арқылы қатты күйдегі батареялардың өнімділігін айтарлықтай арттыруға болатынын көрсетті.

Қатты күйдегі батареяларды жобалаудағы серпіліс

7 қаңтарда KAIST университеті Материалтану және инженерия кафедрасының профессоры Донг-Хва Со жетекшілік еткен топтың жетістігі туралы хабарлады. Жобаға сондай-ақ Сеул ұлттық университеті, Ёнсе университеті және Донгук университетінің зерттеушілері қатысты. Олар қатты күйдегі батареяларға арналған негізгі материалдарды жобалаудың жаңа тәсілін жасап шығарды, бұл өнімділік пен қауіпсіздіктен айырылмай, арзан компоненттерді пайдалануға мүмкіндік береді.

Неліктен қатты электролиттер қауіпсіз, бірақ оңтайландыруы күрделі

Кәдімгі литий-ионды батареяларда литий иондары электродтар арасында тез қозғалуы үшін сұйық электролит қолданылады. Қатты күйдегі батареяларда бұл компонент қатты материалмен алмастырылады, бұл қауіпсіздікті едәуір арттырады. Алайда литий иондары қатты материалдар арқылы баяу қозғалады, ал бұл процесті жеделдету бұрын қымбат металдар мен күрделі технологияларды қажет ететін.

Литий қозғалысын жеделдету үшін кристаллохимия

Бұл мәселені шешу үшін ғалымдар литий иондарының қатты электролит арқылы қозғалысын жақсартуға назар аударды. Олардың стратегиясы «екі валентті аниондарды» – мысалы, оттегі мен күкіртті енгізуге негізделді. Бұл элементтер электролиттің кристалдық құрылымының бір бөлігіне айналып, материал ішіндегі иондардың қозғалыс жолдарын өзгертуге мүмкіндік береді.

Топ бұл тәсілді арзан цирконий негізіндегі қатты электролиттерге қолданды. Екі валентті аниондарды мұқият енгізу арқылы зерттеушілер материалдың ішкі құрылымын дәл баптай алды. Мұндай «қаңқаны реттеу механизмі» литий иондарының қозғалыс арналарының кеңеюіне және энергетикалық кедергілердің төмендеуіне әкеледі, нәтижесінде иондар тез әрі тиімді қозғалады.

Тиімділікті растаудың заманауи әдістері

Құрылымдық өзгерістер мен олардың литий иондарының қозғалысына әсерін растау үшін келесі заманауи аналитикалық әдістер қолданылды:

• Жоғары энергиялы синхротрондық рентгендік дифракция (Synchrotron XRD)
• Жұптық таралу функциясын талдау (PDF)
• Рентгендік абсорбциялық спектроскопия (XAS)
• Электрондық құрылым мен диффузияны зерттеу үшін тығыздық функционалы әдісімен модельдеу (DFT)

Бұл әдістер кристалдық құрылымның қалай өзгеретінін және оның литий иондарының қозғалғыштығына қалай әсер ететінін егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік берді.

Арзан материалдарды пайдалану арқылы өнімділіктің өсуі

Сынақтар электролитке оттегі немесе күкірт қосу литий иондарының қозғалғыштығын кәдімгі цирконий электролиттерімен салыстырғанда 2–4 есе арттыратынын көрсетті. Бұл қатты күйдегі батареялар қымбат материалдарды қолданбай-ақ, практикалық қолдануға қажетті өнімділік деңгейіне жете алатынын дәлелдейді.

Бөлме температурасында оттегі қосылған электролиттің иондық өткізгіштігі шамамен 1,78 мСм/см, ал күкіртпен – шамамен 1,01 мСм/см болды. 1 мСм/см-ден жоғары мәндер батареяларды нақты жағдайда қолдану үшін жеткілікті деп есептеледі.

Батарея дизайнын жетілдіруге қадам

Профессор Донг-Хва Со бұл зерттеу арзан бастапқы материалдарды пайдалана отырып, қатты күйдегі батареялардың құнын және өнімділігін бір уақытта жақсартуға мүмкіндік беретін жобалау қағидатын ұсынатынын атап өтті. Оның айтуынша, өнеркәсіптік қолдану әлеуеті өте жоғары. Жетекші автор Чжэ-Сын Ким бұл жұмыс батарея зерттеулеріндегі жаңа бағытты – жаңа материалдарды таңдаудан гөрі жетілдірілген құрылымдар құруға көшу екенін айтты.

Осылайша, құрылымдық дизайндағы инновациялық тәсіл қауіпсіз, тиімді және қолжетімді қатты күйдегі батареяларды кеңінен қолдануға жол ашады.