Forskere viser, at en lovende fast elektrolyt er hydrofob

Skoltech-forskere og deres kolleger har vist, at LATP, en fast elektrolyt, der overvejes til brug i næste generations energilagring, er meget følsom over for vand, hvilket har direkte konsekvenser for den potentielle batteriydelse og levetid. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Materialernes kemi .

Selvom vedvarende energikilder tiltrækker stor interesse over hele verden på grund af grønne teknologier og høj konverteringseffektivitet, deres integration er fortsat en udfordring, da vedvarende energi i sagens natur er cykliske og inkonsekvente. Som nat følger dag og ro følger vind, inaktiv tilstand følger strømproduktionen. Sådan en uforudsigelig intermitterende strømforsyning kan ikke opfylde forbrugernes forventninger, men der er en løsning, der kan overvinde denne hindring:energilagringsnet. Disse systemer forventes at indsamle spontant genereret energi og distribuere den efter behov, giver stabil og fleksibel strømforsyning.

Blandt det brede udvalg af energilagringssystemer, redox-flow-batterier synes at være de mest passende på grund af nem skalerbarhed, operation, og kontrollerbar udgangseffekt. Et redox flow batteri er, på en måde, et konventionelt batteri vendt vrangen ud:Elektroderne er væsker (anolyt og katolyt), mens den ionledende elektrolyt er en fast membran. Egenskaberne af denne membran bestemmer batteriets endelige ydeevne og levetid, så forskere overvejer forskellige materialer, både uorganiske og polymere, der ville være egnet til dette formål.

En af disse forbindelser er Li _1.3 Al _0,3 Ti _1.7 (PO ₄ ) ₃ , eller LATP. Det er et velkendt lithium-ledende materiale, der tilhører NASICON-familien (opkaldt efter de første velbeskrevne natriumledende repræsentanter - Na Super Ionic Conductor). Denne familie er defineret af en lignende krystalstruktur, der bestemmer dens høje ioniske ledningsevne.

LATP-ledningsevne og strukturelle egenskaber er beskrevet ganske grundigt, men dets stabilitet i almindelige miljøfaktorer såsom luft og vand er stadig dårligt forstået. Så Mariam Pogosova fra Skoltech Center for Energy Science and Technology og hendes kolleger besluttede at finde ud af, om rent vand påvirker LATP-egenskaberne.

"LATP udløste vores videnskabelige nysgerrighed. En velkendt superionisk dirigent, LATP har et stort potentiale for yderligere kemisk og teknologisk forbedring. Vi kendte dens begrænsninger, såsom dårlige mekaniske egenskaber (skørhed) og ustabilitet over for metallisk lithium. Imidlertid, disse begrænsninger var ganske acceptable, da vi planlagde at kompensere dem gennem skabelsen af ​​kompositmateriale. Så vi startede vores eksperimenter, " forklarer Pogosova.

Tidligere undersøgelser udført af gruppen viste, at LATP-keramik mistede ledningsevne ret drastisk, når de blev opbevaret i flere dage i både omgivende luft og argon. Forskerne antog, at fugt kan spille en nøglerolle i denne nedbrydning og satte sig for at udforske LATP-eksponering for vand.

Først, forskerne syntetiserede LATP gennem den oprindelige to-trins solid-state reaktion. De satte derefter deres prøver i deioniseret vand i forskellige tidsrum op til 12 timer og udførte efterfølgende elektrokemiske, strukturel, kemiske og morfologiske analyser understøttet af teoretisk modellering.

Forsøgene viste, at LATP-keramik nedbrydes betydeligt i kontakt med vandet, miste op til 64 % i total ionisk ledningsevne efter cirka to timers eksponering. Forskerne observerede også andre beviser for nedbrydning:mikrokrakning, kornform forvrængning, dannelse af nanopartikler, kemisk sammensætning ændrer sig, enhedscellekrympning, intrastrukturelle polyedre og belastningsændringer. Alt dette fik dem til at konkludere, at LATP-keramik er meget følsomt over for vand og sandsynligvis uegnet til brug i vandige redoxflow-batterier.

"Tydeligvis, virkningen af ​​vand er en bekymring for rene LATP'er og deres egnethed til redox-flow-systemer, især vandige. Jeg vil gerne understrege, at det deioniserede vand/LATP-system, der er analyseret i denne undersøgelse, ikke repræsenterer de reelle redox-flow batteriforhold, da anolyt/katolytopløsningerne er mere komplekse. Derfor, på dette tidspunkt, Jeg ville ikke forsøge at forudsige fremtiden for LATP. Alligevel, Jeg mener, at den opnåede grundlæggende viden allerede er værdifuld og anvendelig:Enhver form for vand er nu klart en grund til at være på vagt. For eksempel, nu, vi kan bevare den oprindelige ydeevne af LATP-keramik gennem en simpel tørre- og vakuumbehandling, " siger Mariam Pogosova.

Hun bemærker også, at overraskende, deres forskning er den første grundige og alsidige undersøgelse af vands indvirkning på LATP. "Så vi planlægger flere undersøgelser for at forfine LATP-adfærd i andre medier for at afsløre, om det vil fungere godt under redox-flow-forhold, " siger Pogosova.