Исследователи из Нагойского университета улучшили материал LLNOF и установили рекорд литий-ионной проводимости среди оксидных электролитов.
Проблема взрывающихся смартфонов и загорающихся электросамокатов уходит в прошлое. Ученые из Нагойского университета совершили прорыв в области твердотельных аккумуляторов, который может кардинально изменить индустрию хранения энергии. Исследователям удалось не только раскрыть секрет аномально высокой проводимости материала LLNOF, но и улучшить её более чем в два раза. Результат — рекордная на сегодняшний день проводимость для оксидных твердых электролитов.
Главная беда современных литий-ионных батарей — жидкий электролит. Он отлично проводит ток, но при повреждении аккумулятора легко воспламеняется. Именно поэтому на борту самолёта нельзя сдавать в багаж повербанки. Твердотельные аккумуляторы решают эту проблему, заменяя опасную жидкость твердым материалом. Однако у этого подхода долго была ахиллесова пята — ионы лития в твердых электролитах двигаются существенно медленнее, чем в жидких.
Существуют сульфидные и хлоридные электролиты с высокой проводимостью, но они капризны и опасны: при контакте с влагой выделяют ядовитые газы вроде сероводорода. Оксидные материалы куда стабильнее и безопаснее, но их проводимость традиционно оставляла желать лучшего. До недавнего времени это был классический компромисс: либо быстро, но опасно, либо медленно, но надежно.
Материал LLNOF (сокращение от сложной формулы Li2–xLa(1+x)/3Nb2O6F) выбивался из этого правила. Еще в 2024 году его проводимость составляла около 7 мСм/см — примерно как у жидких электролитов. Но как именно ему это удавалось, оставалось загадкой. Команда под руководством доцента Такеши Ядзимы потратила больше года на выращивание высококачественных монокристаллов LLNOF методом Бриджмена, чтобы заглянуть внутрь его структуры. И там их ждал сюрприз.
Оказалось, что внутри кристаллической решетки происходит динамическое взаимодействие. Когда ион лития перескакивает на свободное место, соседний ион фтора одновременно смещается в противоположную сторону. Фтор буквально "уступает дорогу", снижая энергетический барьер для движения лития. Это принципиально иной механизм, чем в сульфидах, где проводимость объясняется просто деформацией электронных облаков.
Вооружившись этим пониманием, ученые оптимизировали соотношение лития, лантана и свободных позиций в структуре материала. Результат превзошел ожидания — объемная проводимость выросла до 16,3 мСм/см. Это самый высокий показатель для оксидных твердых электролитов данного класса, который был официально зарегистрирован. По сути, исследователи сделали безопасный материал таким же быстрым, как и его опасные аналоги.
Пока что речь идет о фундаментальном исследовании, а не о готовой коммерческой батарее. Но сам факт, что механизм выявлен и подтвержден, — огромный шаг вперед. Следующий этап — адаптация материала для практического использования в аккумуляторах. Если все пойдет по плану, через несколько лет мы можем получить твердотельные батареи, которые не взрываются, не горят и при этом заряжаются так же быстро, как привычные литий-ионные. Безопасность и эффективность больше не должны быть взаимоисключающими понятиями.