Перспективные твердые электролиты для аккумуляторов с литиевым анодом

Потребность в надежных и мощных аккумуляторах для портативной электроники, электромобилей и сетевых накопителей энергии требует новых решений для улучшения циклируемости, плотности энергии, безопасности и срока службы существующих аккумуляторных технологий. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) признаны наиболее перспективными электрохимическими накопителями энергии на рынке. Использование в качестве анода металлического лития позволяет обеспечить значительно более высокую плотность заряда аккумулятора (~ на 40–50%). Однако при этом возможно прорастание дендритов через сепаратор, пропитанный жидкими органическими электролитами, обычно используемыми в современных ЛИА, что приводит к серьезным проблемам с безопасностью, в т.ч. к разогреву аккумулятора, газообразованию и даже возгоранию. В случае литий-серных аккумуляторов (одних из перспективных “пост-литий-ионных” накопителей энергии), также использующих литиевый анод и из-за этого отличающихся высокой плотностью энергии, одной из основных проблем является необходимость устранения миграции продуктов катодных процессов (полисульфидов). Для решения проблемы, связанной с применением жидких органических электролитов, одним из перспективных подходов является использование твердых электролитов со значительно более низкой воспламеняемостью, летучестью, токсичностью и более широким диапазоном рабочих температур. При этом значительный интерес представляют твердые полимерные электролиты, а также керамика на основе фосфатов со структурой NASICON, устойчивых к влаге, безопасных, стабильных в ходе циклирования. Вместе с тем, невысокие значения литиевой проводимости для недопированных соединений наряду с высоким зернограничным сопротивлением (в случае фосфатов) и невысоких чисел переноса катионов (для полимерных электролитов) заметно ограничивают их широкое распространение. Преодолеть указанные недостатки во многом может позволить создание гибридных (органика-неорганика) композиционных электролитов на основе полимерных материалов с ионпроводящими добавками, поскольку полимерная матрица может амортизировать любые изменения объема электродов во время работы ячейки и уменьшить контактное сопротивление между электролитом и электродом (литиевым анодом). В ходе выполнения проекта предполагается решить актуальную научную проблему, связанную с разработкой новых электролитов для твердотельных аккумуляторов с литиевым анодом. Одной из важных задач при этом будет получение и исследование электрохимических свойств мембран нового поколения, а также новых твердых электролитов на основе литиевых фосфатов со структурой NASICON, обладающих высокой проводимостью, селективностью и устойчивостью к деградации, способностью предотвращать образование дендритов лития. Одним из новых подходов будет введение наноразмерных оксидных материалов в ионпроводящие полимеры для повышения их селективности и снижения проницаемости полисульфидов. На основе ряда ионпроводящих и инертных полимеров, в том числе и впервые полученных нашей научной группой, и фосфатов со структурой NASICON будут созданы новые гибридные композиты типа «полимер в керамике» и «керамика в полимере». Разрабатываемые материалы будут сопоставимы по своим характеристикам с мировыми аналогами или даже превосходить их. С их использованием будут изготовлены и испытаны прототипы полностью твердотельных и литий-серных аккумуляторов с улучшенными функциональными характеристиками. Важной задачей является выявление закономерностей изменения свойств полученных материалов в зависимости от природы внедряемых катионов, их концентрации, типа добавок, используемых для создания композитов, соотношения полимер-наполнитель, а также их влияния на работу накопителей энергии.