Недавна студија која испитује гарнетне чврсте електролите за литијум-метал батерије сугерише да су користи у енергетској густини можда прецењене.
Анализа показује да би литијум-метал батерија у потпуности заснована на чврстом стању (ASSLMB), која користи литијум-лантан-цирконијум оксид (LLZO), достигла гравиметријску енергетску густину од свега 272 Wh/kg—што је тек благо побољшање у односу на 250 до 270 Wh/kg које нуде тренутно доступне литијум-јонске батерије.
Због високих трошкова производње и техничких потешкоћа у изради LLZO материјала, студија указује да су композитни или квази-чврсти електролити практичнија алтернатива.
„Литијум-метал батерије у чврстом стању већ дуго се сматрају будућношћу складиштења енергије, али наша истраживања показују да дизајни засновани на LLZO можда неће донети очекивани скок у енергетској густини,“ изјавио је Ерик Јианфенг Ченг, главни аутор студије и истраживач на WPI-AIMR, Универзитет Тохоку. „Чак и у идеалним условима, побољшања су скромна, док производни изазови и трошкови остају значајни.“
Утицај LLZO на перформансе батерија
Литијум-метал батерије у чврстом стању сматрају се обећавајућом технологијом следеће генерације због потенцијала да понуде бољу сигурност и енергетску ефикасност. LLZO је један од највише проучаваних чврстих електролита, познат по својој стабилности и способности ефикасног преноса литијумових јона.
Међутим, детаљно моделирање практичне LLZO батерије у облику „pouch cell“ формата оспорава веровање да овај материјал значајно повећава енергетску густину. Чак и уз ултра-танак LLZO керамички сепаратор од 25 микрометара и катоду високе капацитативности, резултати показују да је перформанса батерије тек незнатно боља од оне код врхунских конвенционалних литијум-јонских батерија.
Кључни проблеми LLZO материјала?
Један од кључних проблема које студија истиче јесте густина LLZO материјала, која повећава укупну масу ћелије и смањује очекиване енергетске користи. Иако волуметријска енергетска густина достиже приближно 823 Wh/L, додатна тежина и високи трошкови LLZO ограничавају његову практичност.
Поред тога, крхкост материјала, потешкоће у изради танких листова без дефеката, као и проблеми са литијумовим дендритима и шупљинама на интерфејсу додатно компликују његову примену у масовној производњи. „LLZO је изузетно стабилан материјал, али његове механичке слабости и тежинска ограничења представљају озбиљне препреке комерцијализацији,“ објаснио је Ченг.
Истраживање хибридних електролитних решења
Као алтернативу, истраживачи испитују хибридне приступе који комбинују LLZO са другим материјалима. Једна од обећавајућих стратегија укључује композитне електролите на бази LLZO и полимера, који задржавају високу јонску проводљивост уз побољшану флексибилност и једноставнију производњу.
Други приступ су квази-чврсти LLZO електролити, који садрже малу количину течног електролита ради побољшања јонског транспорта и структурног интегритета. Ови хибридни дизајни показали су већу дугорочну стабилност.
„Уместо да инсистирамо на потпуно керамичкој батерији у чврстом стању, потребно је да преиспитамо наш приступ,“ рекао је Ченг. „Комбиновањем LLZO са полимерним или геластим електролитима можемо побољшати могућност производње, смањити тежину и притом задржати високе перформансе.“
