Представлен недорогой галогенидный материал с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы.
| Jerry Huang
Примечание редактора: В области хранения энергии твердотельные батареи считаются лучшим решением для технологий хранения энергии следующего поколения, однако их разработка долгое время сдерживалась серьезными проблемами в материалах электродов. Традиционные твердотельные батареи (ТТБ) обычно имеют электроды, состоящие из активных материалов, твердых электролитов и проводящих добавок. Однако эти неактивные компоненты (занимающие 40–50% объема электродов) не только снижают плотность энергии, но и вызывают побочные реакции на границе раздела фаз и увеличивают извилистость переноса ионов лития. Хотя конструкции «все в одном» (материалы, обладающие высокой проводимостью и электрохимической активностью) могли бы решить эти проблемы, существующие материалы, такие как оксиды (низкая емкость) и сульфиды (высокая стоимость), с трудом соответствуют требованиям будущих рынков. Галогениды обладают преимуществами в низкой стоимости и высокой ионной проводимости, но страдают от недостаточной электронной проводимости и плотности энергии. Поэтому разработка материалов «все в одном», сочетающих в себе высокие электрохимические характеристики, недорогую масштабируемость и механическую стабильность, стала критически важной задачей.
Вот отличный пример. Команда из Университета Западного Онтарио в Канаде в своей статье в журнале Nature предлагает революционное решение — они разработали первый в мире галогенидный материал Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, обладающий динамической способностью к самовосстановлению и интеграцией «три в одном» (катод/электролит/проводник). Благодаря обратимым окислительно-восстановительным реакциям Fe²⁺/Fe³⁺ и уникальному механизму перехода от хрупкого состояния к пластичному, этот материал сохраняет 90% емкости после 3000 циклов, достигая плотности энергии электрода 529,3 Вт·ч кг⁻¹ (масштабируемой до 725,6 Вт·ч кг⁻¹ при использовании композитных конструкций). Что еще более примечательно, его стоимость составляет всего 26% от стоимости обычных электродов. Синхротронное излучение в сочетании с атомным моделированием впервые выявило механизм самовосстановления, вызванный миграцией железа! Эта работа не только представляет собой ключевой материал для твердотельных батарей, но и демонстрирует парадигматический подход к комплексной конструкции, объединяющей материалы, механику и электрохимию. Благодаря огромным усилиям всех исследователей.
Абстрактный
Для реализации потенциала высокой плотности энергии и экономической целесообразности твердотельных батарей необходимы усовершенствованные конструкции катодов. Интегрированные катоды «все в одном», исключающие неактивные проводящие добавки и гетерогенные интерфейсы, обещают существенное повышение энергии и стабильности, но их разработка затруднена из-за недостаточной проводимости Li+/e− материалов, механической прочности и структурной стабильности. В данной работе мы представляем Li1.3Fe1.2Cl4, экономически эффективный галогенидный материал, который преодолевает эти проблемы. Благодаря обратимой окислительно-восстановительной реакции Fe2+/Fe3+ и быстрому переносу Li+/e− внутри своей структуры, Li1.3Fe1.2Cl4 достигает плотности энергии электрода 529,3 Вт·ч кг−1 относительно Li+/Li. Важно отметить, что Li1.3Fe1.2Cl4 демонстрирует уникальные динамические свойства во время циклирования, включая обратимую локальную миграцию Fe и переход от хрупкого к пластичному состоянию, обеспечивающий самовосстановление. Это обеспечивает исключительную стабильность циклической работы, сохраняя 90% емкости в течение 3000 циклов при скорости 5 С. Интеграция Li1.3Fe1.2Cl4 с никельсодержащим слоистым оксидом дополнительно увеличивает плотность энергии до 725,6 Вт·ч кг−1. Используя преимущества динамических механических и диффузионных свойств универсальных галогенидов, данная работа открывает путь для создания энергоемких и долговечных катодов в твердотельных батареях следующего поколения.
Ссылки
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1