Оксидный электролит для твердотельных батарей установил рекорд проводимости
Исследователи из Нагойского университета в Японии обнаружили, что ион фтора внутри материала LLNOF слегка сдвигается каждый раз, когда ион лития переходит на вакантное место. Это движение расчищает путь для лития и снижает энергетический барьер, необходимый для прохождения ионов через электролит. Открытие позволило поднять проводимость материала до рекордных 16,3 миллисименса на сантиметр (мСм/см, единица измерения удельной электрической проводимости) — самой высокой зарегистрированной проводимости литий-ионов среди оксидных твёрдых электролитов.
Учёные выяснили, что движение фтора помогает ионам лития быстрее проходить через кристалл — проводимость LLNOF достигла 16,3 мСм/см, максимального значения для оксидных твёрдых электролитов
Материал LLNOF привлёк внимание ещё в 2024 году, когда у него зафиксировали проводимость 7 мСм/см, но причина необычно быстрого движения лития оставалась неясной. Твёрдые электролиты рассматриваются как замена жидким, которые могут воспламеняться при повреждении батареи, а сульфидные и хлоридные аналоги с высокой проводимостью могут выделять токсичные газы при контакте с влагой. Оксидные и оксифторидные материалы обычно более стабильны, но до сих пор проигрывали по подвижности ионов.
Источник изображения: сгенерировано Nano Banana
Чтобы понять механизм, команда Такеши Ядзимы более года выращивала миллиметровые монокристаллы LLNOF, после чего использовала монокристальную дифракцию для анализа расположения атомов и их смещений. Выяснилось, что четыре атомные позиции образуют тетраэдр вокруг центрального иона фтора: эти позиции могут содержать литий, лантан или оставаться вакантными. Когда литий перескакивает на вакантное место, ион фтора смещается к прежней позиции лития, изменяя локальную структуру и снижая барьер для следующего прыжка. Фтор, таким образом, не пассивен: его движение активно помогает транспорту лития через кристалл.
Изменяя соотношение лития, лантана и вакансий, исследователи добились проводимости 16,3 мСм/см. Результат бросает вызов распространённому мнению, что высокая проводимость в основном зависит от легко деформируемых отрицательных ионов, характерных для сульфидных электролитов.
Новый механизм открывает ещё один путь к проектированию оксидных твёрдых электролитов с быстрым литий-ионным транспортом, что может помочь решить ключевую задачу твердотельных батарей: достичь высокой проводимости без ущерба для безопасности.