Институт биоэнергетики и биопроцессов Циндао Академии наук Китая разработал анод из полностью твердотельного аккумулятора на основе сплава, способный заряжаться и разряжаться за 72 секунды

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа под руководством У Цзяньфэя из Института биоэнергетики и биопроцессов Циндао Академии наук Китая предложила и систематически подтвердила концепцию проектирования электрон-ионной синергетической проводящей сети, что предоставляет новый материал для проектирования, преодолевающий узкое место сверхбыстрой зарядки полностью твердотельных аккумуляторов.

Сульфидные полностью твердотельные аккумуляторы, благодаря высокой плотности энергии и превосходной безопасности, рассматриваются как важное направление развития следующего поколения тяговых аккумуляторов и являются стратегической высотой глобальной конкуренции в области новых энергетических технологий. В процессе высокоскоростной зарядки и разрядки такие проблемы, как медленный перенос электронов на аноде, ограниченная диффузия ионов лития, непрерывная деградация твердо-твердого интерфейса и рост дендритов, взаимосвязаны, что серьезно ограничивает скоростные характеристики и циклический ресурс полностью твердотельных аккумуляторов, становясь ключевым научным узким местом в этой области.

Для решения этой проблемы исследовательская группа из Института биоэнергетики Циндао предложила стратегию проектирования электрон-ионной синергетической проводящей сети (EICN) и разработала новый четверной сплавной анод Li–Al–Si–Zn (ASZ@Li). Этот сплавной анод состоит из многофазных компонентов: литий-алюминий, литий-цинк и литий-кремний. Фаза литий-алюминия формирует непрерывные пути электронного переноса; фаза литий-цинка демонстрирует чрезвычайно высокую литийфильность, выступая в качестве быстрых и равномерных каналов переноса ионов лития; область, обогащенная кремнием, отвечает за обратимое хранение лития и буферизацию изменений объема. Совместное действие этих трех фаз обеспечивает единство электронной проводимости, ионного переноса и структурной стабильности. Кроме того, этот сплавной анод обладает превосходной химической и электрохимической стабильностью по отношению к сульфидному электролиту, не требуя дополнительного создания защитного слоя искусственной твердой электролитной межфазной границы, что упрощает проектирование интерфейса и производственный процесс полностью твердотельных аккумуляторов.

Благодаря конструкции EICN, полностью твердотельный аккумулятор с анодом из сплава ASZ@Li и катодом из высоконикелевого материала Ni90 демонстрирует высокие скоростные характеристики при 55°C, завершая полный цикл зарядки и разрядки всего за 72 секунды, и сохраняет высокую емкость после тысяч циклов, что указывает на потенциал практического применения.

В ходе дальнейших исследований научная группа выяснила глубинный механизм работы электрон-ионной синергетической проводящей сети. Исследования показали, что введение алюминия эффективно повышает электронную проводимость материала, а цинк усиливает литийфильность материала и снижает барьер миграции ионов лития, совместно обеспечивая синергетический быстрый перенос электронов и ионов лития.

Как отметил исследователь Института биоэнергетики Циндао У Цзяньфэй, такая конструкция принципиально снижает импеданс интерфейса, подавляет разложение сульфидного электролита и поддерживает стабильную структуру интерфейса, повышая циклическую стабильность полностью твердотельных аккумуляторов в условиях высоких скоростей.