Кристиан Доплеровская лаборатория твердого тела

В последние годы проводятся интенсивные исследования твердотельных электролитов и разработаны материалы, которые имеют такую ​​же высокую ионную проводимость, как и жидкие электролиты. Но цель всегда была ясна. Батареи с твердыми электролитами, например, из керамики, обеспечивают гораздо более высокую плотность энергии и мощности, чем обычные литий-ионные батареи с жидким электролитом, а также будут пожаробезопасными. «Твердотельные батареи станут гигантским шагом на пути к глобальной электронной мобильности», — подчеркивает Даниэль Реттенвандер из Института химии и технологии материалов Технологического университета Граца (TU Graz) в Австрии.

Однако внедрение недавно разработанных твердотельных электролитов в литий-ионные батареи быстро выявило серьезную проблему, как описывает исследователь: «На границах раздела образуются высокие сопротивления, которые предотвращают быстрый транспорт ионов между электродами и, таким образом, приводят к значительным потерям В большинстве случаев виновниками являются границы раздела между твердотельным электролитом и материалом электрода, а также между частицами самого электролита». Новая лаборатория Кристиана Доплера (CD) твердотельных батарей, возглавляемая Реттенвандером, которая была открыта вместе с отраслевым партнером AVL 12 ноября 2020 года, стремится придать замедленным ионам новый импульс.

Для компании AVL эта лаборатория компакт-дисков имеет большое значение. «Результаты исследований чрезвычайно ценны для разработчиков инновационных приводных аккумуляторов для разработки будущих аккумуляторных модулей на основе технологии твердотельных аккумуляторов», — подчеркивает Фолькер Хенниге, руководитель отдела аккумуляторов компании AVL. Соответственно, компания AVL поддерживает семилетний исследовательский проект вместе с государственным сектором. Бюджет лаборатории CD с семью сотрудниками составляет около двух миллионов евро. Наиболее важным источником государственного финансирования является Федеральное министерство цифровых технологий и экономики (BMDW).

Доктор Маргарет Шрамбёк, федеральный министр цифровых технологий и экономики, добавляет: «Сотрудничество между бизнесом и наукой имеет важное значение для поиска устойчивых и осуществимых решений сложных проблем, таких как климатический кризис. Особенно для Австрии как места для ведения бизнеса передача знаний между компаниями и университетами имеет огромный потенциал для того, чтобы оставаться конкурентоспособным на международном уровне благодаря конкретному внедрению результатов исследований компаниями. Поэтому я рад, что Лаборатория Кристиана Доплера по твердотельным батареям в течение следующих семи лет будет проводить интенсивные исследования в этом экономически и социально актуальная тема».

Основной проблемой твердотельных батарей являются неоднородности контактов на различных интерфейсах. При очень высоких скоростях тока это приводит к локальным пикам тока, а это означает, что ионам лития больше не хватает времени для равномерного распределения на границе раздела. В случае образования границы раздела между металлическим литием и твердыми электролитами это приводит к образованию игольчатых структур, так называемых дендритов, которые прорастают сквозь электролит и в худшем случае приводят к короткому замыканию и воспламенению батарея. Потеря контакта из-за изменения объема материала катода во время процессов зарядки и разрядки, а также электрохимический распад твердотельного электролита при высоких напряжениях элемента из-за термодинамической нестабильности являются дополнительными причинами, которые в настоящее время стоят на пути разработки твердотельные аккумуляторы.

Реттенвандер и его команда сосредоточили внимание на нескольких подходах: «Распределение плотности тока на границах раздела можно гомогенизировать, например, путем введения промежуточных слоев с точно настроенными свойствами переноса лития. Кроме того, мы хотим протестировать альтернативные методы зарядки, такие как методы импульсной зарядки. вместо постоянного тока для достижения однородного осаждения лития».

Более легкие твердотельные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии. Комбинация электролитов на керамической и полимерной основе может использоваться для снижения веса и в то же время для компенсации потерь контакта из-за расширения материала катода во время зарядки и разрядки. «Это было бы лучшее из обоих миров: высокая проводимость и термодинамическая стабильность керамических электролитов в сочетании с превосходными механическими свойствами и легкостью обработки электролитов на основе полимеров. Однако это, в свою очередь, создает новые интерфейсы, а именно между керамикой и полимером, которые предотвращают транспорт ионов между компонентами. Для плавного транспорта ионов необходимы модификации поверхности для улучшения связи между керамикой и полимером», — объясняет Дэниел Реттенвандер. При разработке подходящих полимеров и модификации поверхностей керамических материалов лаборатория CD Реттенвандера сотрудничает с CD-лабораторией органокатализа в полимеризации коллеги из ТУ Граца Кристиана Слуговца, а также с рабочей группой исследователя ТУ Граца Грегора Триммеля. Они недавно