Nedavna studija koja ispituje garnetne čvrste elektrolite za litijum-metal baterije sugeriše da su koristi u energetskoj gustini možda precenjene.
Analiza pokazuje da bi litijum-metal baterija u potpunosti zasnovana na čvrstom stanju (ASSLMB), koja koristi litijum-lantan-cirkonijum oksid (LLZO), dostigla gravimetrijsku energetsku gustinu od svega 272 Wh/kg—što je tek blago poboljšanje u odnosu na 250 do 270 Wh/kg koje nude trenutno dostupne litijum-jonske baterije.
Zbog visokih troškova proizvodnje i tehničkih poteškoća u izradi LLZO materijala, studija ukazuje da su kompozitni ili kvazi-čvrsti elektroliti praktičnija alternativa.
„Litijum-metal baterije u čvrstom stanju već dugo se smatraju budućnošću skladištenja energije, ali naša istraživanja pokazuju da dizajni zasnovani na LLZO možda neće doneti očekivani skok u energetskoj gustini,“ izjavio je Erik Jianfeng Čeng, glavni autor studije i istraživač na WPI-AIMR, Univerzitet Tohoku. „Čak i u idealnim uslovima, poboljšanja su skromna, dok proizvodni izazovi i troškovi ostaju značajni.“
Uticaj LLZO na performanse baterija
Litijum-metal baterije u čvrstom stanju smatraju se obećavajućom tehnologijom sledeće generacije zbog potencijala da ponude bolju sigurnost i energetsku efikasnost. LLZO je jedan od najviše proučavanih čvrstih elektrolita, poznat po svojoj stabilnosti i sposobnosti efikasnog prenosa litijumovih jona.
Međutim, detaljno modeliranje praktične LLZO baterije u obliku „pouch cell“ formata osporava verovanje da ovaj materijal značajno povećava energetsku gustinu. Čak i uz ultra-tanak LLZO keramički separator od 25 mikrometara i katodu visoke kapacitativnosti, rezultati pokazuju da je performansa baterije tek neznatno bolja od one kod vrhunskih konvencionalnih litijum-jonskih baterija.
Ključni problemi LLZO materijala?
Jedan od ključnih problema koje studija ističe jeste gustina LLZO materijala, koja povećava ukupnu masu ćelije i smanjuje očekivane energetske koristi. Iako volumetrijska energetska gustina dostiže približno 823 Wh/L, dodatna težina i visoki troškovi LLZO ograničavaju njegovu praktičnost.
Pored toga, krhkost materijala, poteškoće u izradi tankih listova bez defekata, kao i problemi sa litijumovim dendritima i šupljinama na interfejsu dodatno komplikuju njegovu primenu u masovnoj proizvodnji. „LLZO je izuzetno stabilan materijal, ali njegove mehaničke slabosti i težinska ograničenja predstavljaju ozbiljne prepreke komercijalizaciji,“ objasnio je Čeng.
Istraživanje hibridnih elektrolitnih rešenja
Kao alternativu, istraživači ispituju hibridne pristupe koji kombinuju LLZO sa drugim materijalima. Jedna od obećavajućih strategija uključuje kompozitne elektrolite na bazi LLZO i polimera, koji zadržavaju visoku jonsku provodljivost uz poboljšanu fleksibilnost i jednostavniju proizvodnju.
Drugi pristup su kvazi-čvrsti LLZO elektroliti, koji sadrže malu količinu tečnog elektrolita radi poboljšanja jonskog transporta i strukturnog integriteta. Ovi hibridni dizajni pokazali su veću dugoročnu stabilnost.
„Umesto da insistiramo na potpuno keramičkoj bateriji u čvrstom stanju, potrebno je da preispitamo naš pristup,“ rekao je Čeng. „Kombinovanjem LLZO sa polimernim ili gelastim elektrolitima možemo poboljšati mogućnost proizvodnje, smanjiti težinu i pritom zadržati visoke performanse.“
