Твердый электролит: Эффективный твердый электролит создали новосибирские химики / Интерфакс

Содержание

Новый твердый электролит поможет заменить вредные для экологии углеводородные источники энергии — Будущее на vc.ru

Ученые синтезировали твердый электролит, который станет основой для создания твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Новый материал будет обладать высокой электрической проводимостью и удешевит производство ТОТЭ. Исследование выполнено научной группой Уральского федерального университета (УрФУ) и Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России.

429
просмотров

Снимок со сканирующего электронного микроскопа образца на основе бария, лантана, индия и кислорода

Твердооксидные топливные элементы — это устройства в водородной энергетике, которые в ходе химической реакции преобразуют энергию топлива в электрическую. Они заменяют ископаемые источники топлива, снижая тем самым негативное влияние на атмосферу и климат. ТОТЭ применяют в автомобильных двигателях или космической промышленности для снижения выброса углеводорода в окружающую среду. Электролитом (проводником электрического тока) в них обычно выступают протоны или кислород.

Переход к экологически чистой водородной энергетике является одним из возможных путей решения проблемы загрязнения окружающей среды ископаемыми видами топлива. Протонно-керамические топливные элементы являются перспективной альтернативой углеводородным двигателям, так как сочетают высокую эффективность, гибкость в различных условиях работы и отличную производительность. В своей работе мы получили новый энергоэффективный материал, в котором концентрация протонов увеличивается в два раза, а электрическая проводимость становится на два порядка выше. Стоит отметить, что такие результаты материал показывает при температуре в два раза более низкой по сравнению с наиболее изученными на сегодня твердотельными кислородно-ионными проводниками. Понижение температуры увеличивает экономическую эффективность конечного электрохимического устройства

Наталия Тарасова, соавтор исследования, доцент кафедры физической и неорганической химии УрФУ

Получить новый материал исследователям позволил метод изовалентного допирования, то есть замещения части атомов исходной структуры атомами другого химического элемента той же валентности. В этом случае за основу взят индат бария-лантана (соединение бария, лантана, индия и кислорода), где ученые заменили половину атомов индия на иттрий.

образец материала для ТОТЭ

Твердотельные протонные проводники, которые могут применяться в ТОТЭ, внедряют в себя протоны из влажного воздуха, то есть из воды, содержащейся в нем. Иттрий обладает большим радиусом по сравнению с индием и при введении как бы «раздвигает» кристаллическую решетку исходного материала. Это позволяет измененной решетке «аккумулировать» в два раза больше протонов из увлажненной атмосферы

Наталия Тарасова

Топливные элементы на основе твердого электролита (протонного проводника) станут экономически выгодны для производства и по сравнению с другими твердотельными проводниками для ТОТЭ будут обладать более высокой электрической проводимостью.

Материалы на основе индата бария-лантана с блочно-слоевой структурой — уникальная разработка уральских ученых. До этого в качестве протонных проводников в основном изучали материалы со структурой перовскита (титаната кальция).

Отметим, что рабочая температура протон-проводящих ТОТЭ примерно в полтора-два раза ниже, чем у кислород-проводящих, что удешевляет их производство и эксплуатацию. Однако, в отличие от ионов кислорода, протоны не содержатся в составе материала электролита ТОТЭ, а попадают туда из воздуха, содержащего пары воды. Соответственно, чем большее количество протонов будет способен «аккумулировать» материал электролита, тем выше будет его электрическая проводимость, а следовательно и экономичность. Главным открытием ученых стало то, что материалы на основе индата бария-лантана с блочно-слоевой структурой, «аккумулируют» в разы большее количество протонов, чем материалы со структурой перовскита.

Результаты исследования опубликованы в международном журнале, посвященном вопросам водородной энергетики International Journal of Hydrogen Energy.

Экспериментальная часть исследования проводилась в научной лаборатории водородной энергетики УрФУ, входящей в состав Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы». Напомним, что создание и развитие сети научно-образовательных центров мирового уровня проходят в рамках реализации Минобрнауки России национального проекта «Наука и университеты».

Подпишитесь на наш канал, чтобы не упускать новости науки. Важная информация есть в нашем Telegram.

Осторожно, вода! Ученые Сколтеха показали, что перспективный твердый электролит боится воды

Исследователи Сколтеха и их коллеги показали, что LATP – твердый электролит, который можно было бы использовать в накопителях энергии нового поколения, очень чувствителен к воде, что непосредственно влияет на производительность и срок службы аккумуляторов. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) во всем мире вызывают большой интерес благодаря их экологичности и высокой эффективности преобразования энергии, однако их внедрение связано с серьезными проблемами из-за присущего им цикличного и непостоянного характера работы. Как ночь сменяет день, а штиль сменяет ветер, так и за режимом генерации энергии следует период простоя. Вполне очевидно, что такой источник питания с непредсказуемой цикличностью вряд ли заинтересует потребителя. Но у этой проблемы существует решение – это накопители энергии. Предполагается, что они будут аккумулировать спонтанно генерируемую энергию, а затем поставлять ее в соответствии с уровнем потребления, тем самым обеспечивая стабильное и адаптивное электроснабжение.

Наиболее перспективными среди широкого спектра систем накопления энергии считаются проточные редокс-аккумуляторы благодаря легкости масштабирования, удобству в работе и возможности контроля выходной мощности. Проточный редокс-аккумулятор – это, по сути, обычный аккумулятор, но «наоборот»: в редокс-аккумуляторе в качестве электродов используются жидкости (анолит и католит), а в качестве ионопроводящего электролита – твердая мембрана. Поскольку именно свойства мембраны определяют конечные рабочие показатели и срок службы аккумулятора, ученые рассматривают возможность изготовления мембран из различных материалов, в том числе неорганических и полимерных.

Одним из таких соединений является LATP — Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃. Это хорошо известный литиевый проводник из семейства NASICON, которое получило свое название от первых подробно описанных натриевых проводников Na Super Ionic CONductor. Все проводники этого семейства имеют схожую кристаллическую структуру, которая и определяет высокую ионную проводимость соединений.

Хотя проводимость и структурные особенности LATP описаны достаточно подробно, их устойчивость к воздействию таких факторов окружающей среды, как воздух и вода, пока остается малоизученной. Научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха (CEST) Мариам Погосова и ее коллеги решили выяснить, влияет ли чистая вода на свойства LATP.

«LATP вызывал у нас большой интерес: это хорошо известный суперионный проводник с высоким потенциалом для дальнейшего химического и технологического усовершенствования. Известно, что у LATP есть и ряд недостатков, таких как высокая хрупкость и низкая устойчивость к воздействию металлического лития. Тем не менее, эти недостатки нас не смущали, так как мы планировали компенсировать их за счет создания композитного материала, и мы приступили к работе», – объяснила Погосова.

В предыдущих исследованиях этой группы ученых было показано, что проводимость керамического LATP резко падает при хранении на воздухе или в аргоне. Исследователи выдвинули гипотезу о том, что главной причиной снижения проводимости может быть влажность, и решили проверить, как вода воздействует на LATP.

Сначала ученые синтезировали LATP путем новаторской двухстадийной твердофазной реакции. Затем полученные образцы LATP помещали в деионизированную воду и выдерживали их вплоть до 12 часов. После этого исследователи анализировали электрохимические, структурные, химические и морфологические свойства образцов, подкрепляя результаты методами теоретического моделирования

В ходе экспериментов было показано, что при контакте с водой свойства керамики LATP существенно ухудшаются: после двухчасовой выдержки в воде общая ионная проводимость снижается на 64%. Ученые также наблюдали появление микротрещин, искажение формы зерна, образование наночастиц, изменения химического состава вещества, сжатие элементарной ячейки, а также изменения внутриструктурных полиэдров. На основе этих наблюдений ученые пришли к выводу, что керамика LATP высокочувствительна к воде и, вероятно, не может применяться в водных проточных редокс-аккумуляторах.

«Очевидно, LATP слишком подвержен воздействию воды, что ставит под сомнение возможность его использования в проточных редокс-аккумуляторах, особенно водных. Хочу подчеркнуть, что условия работы системы «деионизированная вода/LATP», являющейся предметом данного исследования, не соответствуют реальным условиям работы проточного редокс-аккумулятора, так как растворы анолит/католит являются более сложными. Поэтому пока я не рискну делать какие-либо прогнозы относительно перспектив применения LATP. Тем не менее, отмечу, что в результате исследования были получены важные фундаментальные знания, имеющие также практическую ценность: нам удалось показать, что при наличии воды в любом ее виде нужно быть настороже. Например, теперь мы знаем, что сохранить исходные характеристики керамики LATP можно при помощи простой сушки и вакуумирования», – сказала Погосова.

Она также отметила, что данная работа, как это ни удивительно, является первым столь детальным и всесторонним исследованием проблемы воздействия воды на LATP. «Мы планируем провести дополнительные исследования, чтобы уточнить поведение LATP в других средах и проверить, как этот проводник будет вести себя в условиях, соответствующих условиям работы проточных редокс-аккумуляторов», – добавила Погосова.

В совместном исследовании принимали участие специалисты МГУ им. М.В. Ломоносова и Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Исследование проводилось в рамках проекта Lithium Redox Flow Batteries for High Power and High Energy Density Energy Storage по программе проектов следующего поколения Сколтех-MIT (The Next Generation).

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email*

Твердые электролиты для литий-ионных аккумуляторов

‹ Назад к материалам для аккумуляторов

Твердые электролиты проводят ионы лития при комнатной температуре и потенциально могут заменить обычные органические электролиты, которые легко воспламеняются и токсичны. Помимо значительного повышения безопасности батареи, твердотельные электролиты позволяют использовать металлический литий в качестве анода. Это, в свою очередь, увеличивает напряжение элемента и тем самым увеличивает плотность энергии батареи.

NEI активно участвует в производстве различных составов материалов с твердым электролитом на основе сульфидов, таких как наш собственный запатентованный сульфид лития, олова, фосфора (Li ₁₀ СнП ₂ S ₁₂ ), а также составы электролитных материалов на основе оксидов, фосфатов и полимеров.

Корпорация NEI, давно являющаяся надежным поставщиком специально разработанных материалов, используемых в литий-ионных батареях, является вашим поставщиком коммерческих и нестандартных материалов с твердым электролитом.

Брошюра по твердым электролитам

Твердые электролиты на основе оксидов

Твердые электролиты на основе неорганических оксидов являются одними из наиболее востребованных кандидатов на роль полностью твердотельных аккумуляторов. NEI производит различные порошки твердого электролита на основе оксидов (гранатового типа, типа НАСИКОН и типа перовскита), которые имеют такие отличительные особенности, как высокая фазовая чистота и кристалличность, малый размер частиц и высокая степень гранулометрического состава. (PSD) однородность. Вышеупомянутые характеристики порошка позволяют изготавливать твердые электролитные материалы на основе оксидов NEI в подходящие структуры с превосходными электрохимическими свойствами.

Товар	Описание продукта	Формула	Паспорт безопасности	Спецификация
НАНОМИТ ^® SOX-10	«Fine LLTO» — титанат лития-лантана (от 1 до 2 мкм)	Li _0,34 La _0,56 TiO ₃	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® SOX-20	Fine “LLZO” – оксид циркония лития, лантана, легированный алюминием (от 1 до 2 мкм)	Li _6,24 La ₃ Zr ₂ Al _0,24 O _11,98	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® SOX-25	Micro «LLZO» — оксид циркония лития, лантана, легированный алюминием (от 5 до 6 мкм)	Ли _6,24 Ла ₃ Zr ₂ Al _0,24 O _11,98	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® SOX-30	Fine “LLZTO” – Цирконат лития-лантана, легированный Ta (от 1 до 2 мкм)	Li _6,2 Al _0,2 La ₃ Zr _1,8 Ta _0,2 O ₁₂	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® SOX-35	Micro “LLZTO” – Цирконат лития и лантана, легированный Ta (от 3 до 4 мкм)	Li _6,2 Al _0,2 La ₃ Zr _1,8 Ta _0,2 O ₁₂	паспорт безопасности »	Характеристики »

Наши оксидные электролитные материалы доступны в следующих количествах: 25 грамм, 50 грамм, 100 грамм, 250 грамм, 500 грамм, 1 килограмм и более.

Запросить предложение

Твердые электролиты на основе фосфатов

NEI производит порошки твердых электролитов на основе фосфатов с отличительными характеристиками, такими как высокая фазовая чистота и кристалличность, малый размер частиц и высокая степень однородности распределения частиц по размерам (PSD). Эти характеристики порошка позволяют изготавливать из материалов с твердым электролитом на основе фосфатов NEI подходящие структуры с превосходными электрохимическими свойствами.

Продукт	Описание продукта	Формула	Паспорт безопасности	Спецификация
НАНОМИТ ^® PHE-10	«Fine LATP» — литий-алюминий-титан-фосфат (1 мкм)	Li _1,4 Al _0,4 Ti _1,6 (PO ₄ ) ₃	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® PHE-15	«Micro LATP» — литий-алюминий-титан-фосфат (от 2 до 3 мкм)	Li _1,4 Al _0,4 Ti _1,6 (PO ₄ ) ₃	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® PHE-20	«LAGP» — литий-алюминий-германий-фосфат (от 2 до 3 мкм)	Li _1,5 Al _0,5 Ge _1,5 (PO ₄ ) ₃	паспорт безопасности »	Характеристики »

Наши фосфатные электролитные материалы доступны в следующих количествах: 10 грамм, 25 грамм, 50 грамм, 100 грамм, 250 грамм, 500 грамм, 1 килограмм и более.

Request Quote

Твердые электролиты на полимерной основе

NEI предлагает твердые полимерные электролиты для перезаряжаемых твердотельных литиевых батарей. Электролиты основаны на специально синтезированных полимерах, образующих комплексы с высокопроводящими солями лития.

Наши полимерные электролитные материалы доступны в следующих количествах: 10 грамм, 25 грамм, 50 грамм, 100 грамм, 250 грамм, 500 грамм, 1 килограмм и более.

Request Quote

Твердые электролиты на основе сульфидов

Твердые электролиты на основе сульфидов являются одним из наиболее востребованных и многообещающих кандидатов для полностью твердотельных батарей. Сульфидные соединения с высокой проводимостью литий-иона обычно недоступны, и поэтому разработка литий-ионных аккумуляторов на основе твердотельного электролита затруднена из-за отсутствия широкой доступности этих сложных в производстве материалов. NEI использовала свой обширный опыт в области синтеза передовых материалов для разработки процесса производства сульфидных материалов в форме, которая потенциально позволяет использовать их в литий-ионных элементах.

Товар	Описание продукта	Формула	Паспорт безопасности	Спецификация
НАНОМИТ ^® SSE-10 »	«LSPS» — литий-олово-фосфорный сульфид	Ли ₁₀ СнП ₂ С ₁₂	паспорт безопасности »	Характеристики »
НАНОМИТ ^® SSE-20 »	Дисперсионная жидкость с твердым электролитом	н/д	паспорт безопасности »	Характеристики »
ЛПС	Сульфид лития-фосфора (от 3 до 5 мкм)	β-Li ₃ PS ₄	паспорт безопасности »	(Запрос)
LPCl	Литий-фосфорный хлорид серы (от 3 до 5 мкм)	Ли ₆ ПС ₅ Кл	паспорт безопасности »	(Запрос)
Тонкий LPSCl	Литий-фосфорный хлорид серы (~1 мкм)	Ли ₆ PS ₅ Класс	паспорт безопасности »	(Запрос)
LPSCLI	Литий Фосфор Хлорид серы Йодид (от 3 до 5 мкм)	Li ₆ PS ₅ Cl _0,9 I _0,1	паспорт безопасности »	(Запрос)

Наши сульфидные электролитные материалы доступны в следующих количествах: 10 грамм, 25 грамм, 50 грамм, 100 грамм, 250 грамм, 500 грамм, 1 килограмм и более.