Жидкие электролиты в современных литий-ионных аккумуляторах легко воспламеняются, а твердые аналоги из сульфидов и хлоридов, обладая высокой проводимостью, могут выделять токсичные газы при контакте с влагой. Оксиды и оксифториды гораздо стабильнее и безопаснее, но их ионная проводимость традиционно была значительно ниже.
Материал LLNOF — оксифторид лития, лантана и ниобия — громко заявил о себе в 2024 году, когда исследователи сообщили о проводимости 7 мСм/см, что уже было необычно высоко для данного класса материалов. Однако механизм этой аномально быстрой миграции лития оставался загадкой, сообщил IE.
Команда ученых из Нагойского университета вырастила монокристаллы LLNOF и проанализировала их структуру. Используя монокристальную дифракцию, ученые выяснили, что четыре атомных узла образуют тетраэдрическую структуру вокруг центрального иона фтора, и эти узлы могут быть заняты литием, лантаном или оставаться вакантными. Когда ион лития перескакивает на вакантный узел, ион фтора смещается в сторону предыдущего местоположения лития. Это небольшое движение меняет локальную структуру и снижает энергетический барьер для следующего прыжка иона лития. Таким образом, фтор активно облегчает перенос ионов через кристалл.
Меняя соотношение лития, лантана и вакантных узлов, исследователи нашли комбинацию, при которой проводимость вырастала до рекордных 16,3 мСм/см — самой высокой среди оксидных твердых электролитов.
Новый механизм открывает совершенно иной подход к проектирвоанию оксидных электролитов: вместо того, чтобы полагаться на поляризуемость анионов, можно использовать структурные перестройки вокруг ионов фтора. Это позволяет совместить безопасность оксидных материалов с проводимостью, приближающейся к сульфидным, и дает исследователям мощный инструмент для разработки практически полезных твердотельных аккумуляторов нового поколения.
Твердотельные аккумуляторы более безопасные, энергоемкие и заряжаются быстрее, чем привычные литий-ионные. Однако их главный враг — нестабильность границы между электролитом и электродом, которая убивает ресурс батареи. Химики из Китая предложили решение: композитный материал из органических и неорганических веществ, который сохраняет более 84% емкости после 350 циклов заряда-разряда.
