Оксидный электролит для твердотельных батарей установил рекорд проводимости
iXBT.com ·
Исследователи из Нагойского университета в Японии обнаружили, что ион фтора внутри материала LLNOF слегка сдвигается каждый раз, когда ион лития переходит на вакантное место. Это движение расчищает путь для лития и снижает энергетический барьер, необходимый для прохождения ионов через электролит. Открытие позволило поднять проводимость материала до рекордных 16,3 миллисименса на сантиметр (мСм/см, единица измерения удельной электрической проводимости) — самой высокой зарегистрированной проводимости литий-ионов среди оксидных твёрдых электролитов.
Исследователи из Нагойского университета в Японии обнаружили, что ион фтора внутри материала LLNOF слегка сдвигается каждый раз, когда ион лития переходит на вакантное место. Это движение расчищает путь для лития и снижает энергетический барьер, необходимый для прохождения ионов через электролит. Открытие позволило поднять проводимость материала до рекордных 16,3 миллисименса на сантиметр (мСм/см, единица измерения удельной электрической проводимости) — самой высокой зарегистрированной проводимости литий-ионов среди оксидных твёрдых электролитов.
Материал LLNOF привлёк внимание ещё в 2024 году, когда у него зафиксировали проводимость 7 мСм/см, но причина необычно быстрого движения лития оставалась неясной. Твёрдые электролиты рассматриваются как замена жидким, которые могут воспламеняться при повреждении батареи, а сульфидные и хлоридные аналоги с высокой проводимостью могут выделять токсичные газы при контакте с влагой. Оксидные и оксифторидные материалы обычно более стабильны, но до сих пор проигрывали по подвижности ионов.
Чтобы понять механизм, команда Такеши Ядзимы более года выращивала миллиметровые монокристаллы LLNOF, после чего использовала монокристальную дифракцию для анализа расположения атомов и их смещений. Выяснилось, что четыре атомные позиции образуют тетраэдр вокруг центрального иона фтора: эти позиции могут содержать литий, лантан или оставаться вакантными. Когда литий перескакивает на вакантное место, ион фтора смещается к прежней позиции лития, изменяя локальную структуру и снижая барьер для следующего прыжка. Фтор, таким образом, не пассивен: его движение активно помогает транспорту лития через кристалл.
Изменяя соотношение лития, лантана и вакансий, исследователи добились проводимости 16,3 мСм/см. Результат бросает вызов распространённому мнению, что высокая проводимость в основном зависит от легко деформируемых отрицательных ионов, характерных для сульфидных электролитов.
Новый механизм открывает ещё один путь к проектированию оксидных твёрдых электролитов с быстрым литий-ионным транспортом, что может помочь решить ключевую задачу твердотельных батарей: достичь высокой проводимости без ущерба для безопасности.