Новый твердый электролит может улучшить литиевые батареи при низких температурах!
СЭМ-изображения частиц LTOC SSE после ручного измельчения в течение 1 часа. (А) Показаны в крупном масштабе. (Б) Показаны наноразмерные частицы LTOC.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Science, представляет новый материал с твердым электролитом, который может значительно повысить эффективность литиевых батарей, особенно в холодных условиях.
Профессор химии Иллинойского технологического института Джеймс Кадук, соавтор исследования, сыграл ключевую роль в выявлении расположения атомов лития в кристаллической решётке нового вещества — оксихлорида лития-тантала (LTOC). Эта информация оказалась решающей для понимания его высокой ионной проводимости и низкой энергии активации.
В статье под названием "Конструкция анионной подрешетки обеспечивает суперионную проводимость в кристаллических оксигалогенидах" описано, как уникальная структура LTOC позволяет ионам лития свободно перемещаться даже при низких температурах, что делает его перспективным кандидатом для твердотельных аккумуляторов нового поколения.
Из-за своей легкости и высокой подвижности литий широко применяется в батареях. Однако определить точное местоположение его атомов в сложных структурах — задача не из лёгких. Рентгеновская дифракция, стандартный метод анализа, плохо различает такие лёгкие элементы, особенно среди более тяжёлых атомов, таких как тантал.
Кадук решил эту проблему косвенным путём: вместо того чтобы искать литий напрямую, он искал пустые пространства в структуре, где тот теоретически мог находиться. Сузив возможные позиции, он обнаружил каналы, по которым ионы лития могут легко "перескакивать" от одной области к другой.
Эти каналы образованы жёсткими цепочками тантала, кислорода и хлора. Благодаря им ионы лития быстро диффундируют через весь материал, обеспечивая высокую проводимость даже при минусовых температурах.
Результаты были подтверждены с помощью квантово-механических расчётов, включая методы функционала плотности. Они показали, что предложенная структура устойчива и соответствует экспериментальным данным.
Открытие имеет важное значение для создания более мощных и надёжных аккумуляторов, способных работать в экстремальных условиях — например, в электромобилях или автономных системах хранения энергии в холодных регионах.
Хотя вклад Кадука был частью большого международного проекта, именно его работа позволила глубже понять устройство нового материала.
"Удовлетворение даёт сам процесс решения таких молекулярных головоломок," — говорит Кадук. "Особенно когда расчёты подтверждают правильность выбранного пути."










