Создан натриевый твердый электролит, сочетающий высокую ионную проводимость с электрохимической стабильностью
8 июля 2021
Исследовательская группа с кафедры электротехники и электронной информатики Технологического университета Тоехаси разработала хлорзамещенный твердый электролит Na3SbS4 для использования в полностью твердотельных натрий-ионных батареях. По сравнению с образцом без замещения ионная проводимость подобного электролита, в котором была частично замещена на Cl, улучшилась до трех раз. Исследователи также продемонстрировали что Cl-замещенный Na3SbS4 имеет каркасную кристаллическую структуру, которая позволяет ионам натрия легче перемещаться в трех измерениях. Оказалось также, что новый электролит демонстрирует превосходную стабильность в сочетании с металлическими натриевыми анодами. Исследование опубликовано в ACS Applied Energy Materials.
В связи с увеличением спроса на крупномасштабное накопление энергии ускоряются исследования полностью твердотельных натрий-ионных батарей, которые используют вместо лития гораздо более дешевый натрий. Для практического применения таких аккумуляторов необходимо разработать твердый электролит с высокой ионной проводимостью при комнатной температуре. Среди различных твердых электролитов с натриевой проводимостью твердые электролиты Na3SbS4 имеют высокую проводимость в 1 миллисименс на сантиметр или выше при комнатной температуре и поэтому широко исследуются во всем мире. Однако для достижения высокой проводимости требуется постобработка с помощью шаровой мельницы, а достижение высокой ионной проводимости с помощью более простого синтетического процесса оказалось особенно проблематичным.
Поэтому для разработки твердого электролита с хлорзамещенным Na3SbS4 была использована методика жидкофазного синтеза, пригодная для массового производства. Частично замещая серу в твердом электролите, авторы сумели увеличить увеличивали ионную проводимость при комнатной температуре в три раза (0,9 мСм*см-1) по сравнению с образцом без замещения (0,3 мСм*см-1).
Кроме того, команда обнаружила, что хлорзамещенные твердые электролиты Na3SbS4 демонстрируют превосходную стабильность с металлическими натриевыми анодами по сравнению с образцом без замещения серы на хлор.
Они показали, что это улучшение электрохимической стабильности связано со снижением межфазного сопротивления между анодом и твердым электролитом и что тяжелое легирование хлором эффективно улучшает стабильность взаимодействия электролита с анодом.
Исследовательская группа открыла важный конструктивный принцип для разработки идеального твердого электролита с желательными характеристиками, такими как высокая ионная проводимость и превосходная электрохимическая стабильность. Они полагают, что твердый электролит из этого исследования может быть объединен с технологией жидкофазного покрытия для достижения высокой емкости хранения и стабильной цикличности для всех твердотельных натрий-ионных батарей.
Текст: Алексей Паевский
Совместно с Центром компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии
Hirotada Gamo et al, Effects of Substituting S with Cl on the Structural and Electrochemical Characteristics of Na3SbS4 Solid Electrolytes, ACS Applied Energy Materials (2021). DOI: 10.1021/acsaem.1c00927
