Корейским исследователям удалось разработать ключевую технологию для полностью твердотельных вторичных аккумуляторов, известных как литий-ионные батареи следующего поколения из-за их высокой безопасности. Работа была опубликована в Интернете в конце прошлого года в SMALL, ведущем мировом журнале по энергетическим материалам.

Научно-исследовательский институт электроники и телекоммуникаций (ETRI) разработал разделительную мембрану на основе связующего материала, который легко фибриллируется при механическом сдвиге (приложении силы) в процессе смешивания с порошком твердого электролита без использования растворителя. Эта мембрана из твердого электролита проста и быстра в изготовлении, она чрезвычайно тонкая и прочная.

В целом, в исследованиях полностью твердотельных вторичных аккумуляторов толщина устанавливается от нескольких сотен микрометров (мкм) до 1 миллиметра (мм) для увеличения прочности мембраны при использовании твердого твердого электролита в процессе производства. Однако у них есть недостаток, заключающийся в том, что они слишком толстые по сравнению с обычными полимерными разделительными мембранами, что приводит к очень большой потере плотности энергии.

Исследовательская группа применила связующий материал, который проявляет свойства фибрилляции при приложении механического сдвига (силы), и изготовила ультратонкую мембрану из твердого электролита толщиной 18 мкм, что близко к толщине существующих коммерчески выпущенных мембран для разделения литий-ионных аккумуляторов, с помощью сухого процесса.

Благодаря этому исследовательская группа значительно уменьшила объем элемента и создала высокоплотную и высокопроизводительную полностью твердотельную вторичную батарею. Можно сказать, что плотность энергии была увеличена до 10 раз по сравнению с мембраной из твердого электролита толщиной 1 мм.

Это исследование позволит разработать полностью твердотельные вторичные батареи с высокой плотностью энергии за счет улучшения скорости передачи ионов между зарядом и разрядом при значительном уменьшении объема и веса элемента за счет мембраны из твердого электролита с толщиной, близкой к толщине существующих коммерчески распространенных полимерных разделительных мембран.

Исследование также выявило корреляцию между молекулярной массой связующего материала и степенью прочной запутанности, что обеспечило стандарт процесса для разработки оптимизированных ультратонких мембран с твердым электролитом. Это позволяет изготавливать мембранные формы экономичных форм с правильным количеством связующего в процессе производства.

Полностью твердотельные вторичные батареи, которые привлекают внимание как вторичные батареи нового поколения, представляют собой аккумуляторную систему, которая значительно повышает безопасность за счет изменения среды для переноса ионов с жидкого на твердотельный материал, устраняя такие риски, как воспламенение, взрыв и утечка.

Ключевым материалом этих полностью твердотельных вторичных батарей является мембрана из твердотельного электролита, которая переносит ионы, предотвращая прямой контакт между анодом и катодом. В обычном литий-ионном элементе мембрана действует одновременно как жидкий электролит и как сепаратор.

В процессе производства ячеек жидкие электролиты изготавливаются путем прямого впрыска, в то время как твердые электролиты производятся отдельно в виде мембран и применяются для производства ячеек.

С другой стороны, сухой процесс, при котором порошкообразный твердый электролит механически смешивается с волокнистым связующим для получения мембраны, сводит к минимуму содержание связующего и исключает использование растворителей, в результате чего получается высокоионная проводящая мембрана из твердого электролита, которая прочнее и легче контролируется в отношении толщины, чем обычные процессы литья ленты на основе суспензии.

Исследователи ETRI преуспели в создании ультратонких мембран с твердым электролитом за счет оптимизации процесса механического сдвига, который максимизирует степень запутывания волокнистого связующего, что имеет важное значение для сухого процесса.

Исследователи количественно оценили корреляцию между молекулярной массой полимерного связующего и степенью запутывания во время фибрилляции с помощью структурного анализа. Оптимизируя температуру процесса и время во время сдвига, удалось индуцировать фибрилляцию полимерного связующего до 98%, образуя связующую сеть с прочной запутанной структурой.

Парк Янг Сэм, главный научный сотрудник исследовательского отдела интеллектуальных материалов ETRI, сказал: «Ожидается, что успех создания крупномасштабных мембран из твердого электролита с толщиной на уровне сепаратора значительно улучшит плотность энергии, что увеличит потенциал коммерциализации полностью твердотельных вторичных батарей с высокой ценовой конкурентоспособностью».

Шин Донг Ок, главный научный сотрудник Sma ETRIrt Materials Research Section, также сказал: «Благодаря глубокому пониманию фибрилляции полимерного связующего, мы решили проблему ультратонких мембран из твердого электролита, которая была сложной задачей, с помощью простого и быстрого процесса».

В частности, исследователи заявили, что результаты исследования имеют большое значение, поскольку они обеспечивают оптимальный стандарт процесса сдвига, который не был рассмотрен в существующем сухом процессе, который может быть расширен на композитные аноды и катоды полностью твердотельных вторичных батарей и может исключить использование растворителей, вызывающих загрязнение окружающей среды.

В то время как исследователи ETRI сосредоточились на истончении твердотельного электролита в этом исследовании, они планируют провести исследования для дальнейшего улучшения показателей ионной проводимости и достижения стабильного контроля границы раздела с электродом. Исследователи также изготовили ячейку мешочного типа с нанесенной ультратонкой мембраной из твердого электролита и сообщили о стабильных результатах заряда/разряда, что предполагает возможность коммерциализации.

В этом исследовании приняли участие Шин Донг Ок и Пак Ён Сам, главные исследователи ETRI, в качестве авторов-корреспондентов, и Юн Сок Юн, студент магистратуры и докторантуры в UST, в качестве первого автора.

1) МАЛЕНЬКИЙ (ЕСЛИ: 13.0, JCR по полю: 93.258), URL-адрес (https://doi.org/10.1002/smll.202407882) Опубликовано онлайн (12 ноября 2024 г.), выбрано в качестве обложки

2) Волокнистый связующий материал: Травянистый материал, который разделяется на нити, как веревка, когда большая масса подвергается воздействию силы

3) Поперечная сила : Когда на объект одновременно действуют силы равной величины и противоположных направлений, сила, действующая параллельно поверхности внутри объекта

4) Мембрана с твердым электролитом: Тонкая и гибкая мембрана из твердого электролита

5) Разделительная мембрана: Разделительная мембрана из полимеров толщиной от 10 до 20 мкм, используемая в литий-ионных аккумуляторах на основе жидкого электролита

6) Мерцание: Процесс, с помощью которого такие материалы, как полимеры, превращаются в длинные, тонкие волокна

7) Сухой процесс: Процесс формования электродов с использованием твердых порошков без использования растворителей, что позволяет экономить энергию и затраты, позволяет изготавливать электроды с высокой плотностью энергии и имеет экологические преимущества за счет минимизации использования опасных материалов

8) Запутанность: Явление, при котором полимерные связующие запутываются друг с другом при разделении на фибриллы, обладающее структурными характеристиками, улучшающими механические свойства

9) Полностью твердотельная вторичная батарея: Аккумулятор, заменяющий жидкофазные электролиты на твердофазные

10) Применять: Как правило, мембраны с твердым электролитом изготавливаются в процессе ленточного литья путем приготовления суспензии. Тем не менее, твердый электролит легко вступает в реакцию с используемым растворителем, что приводит к низкой производительности, а после литья требуется процесс удаления растворителя, что затрудняет производство мембраны из твердого электролита с равномерной толщиной и высокой плотностью.

11) Шлам: Смешанные суспензии порошков твердых электролитов, связующих и растворителей

12) Процесс литья ленты: Процесс, при котором суспензия из твердых веществ, связующих веществ и добавок, смешанных с растворителем, наносится тонким слоем на подложку и высушивается для получения пленки.

13) Корреляция между молекулярной массой полимерного связующего и степенью запутывания при фибрилляции: Эта сильно запутанная структура связующего позволила получить твердую электролитную мембрану толщиной 18 мкм на площади 12×12 м², несмотря на очень низкое содержание 0,5 мас.%. Показатели ионной проводимости были улучшены в 30 раз по сравнению с обычными слоями твердого электролита гранулированного типа. Кроме того, было показано, что плотность энергии 191 Втч/кг и 481 Втч/л была достигнута даже в одноэлементной структуре при производстве ячеек, что указывает на то, что плотность энергии может быть значительно улучшена просто за счет уменьшения толщины мембраны твердого электролита.

подпись к фото) 0.5 мас.%: Отношение массы связующего к общему количеству мембран твердого электролита

###

Кроме того, это исследование было проведено при поддержке проекта ETRI Future Source Creative Research Section, разработанного Министерством торговли, промышленности и энергетики в рамках проекта «Вторичная батарея нового поколения Performa на основе лития»nce «Совершенствование и развитие производственных технологий» и проект Национальной исследовательской группы по науке и технологиям Global TOP Strategic Research Group.