Naukowcy pod kierunkiem profesora KANG Kisuka z Centrum Badań Nanocząstek w Instytucie Nauk Podstawowych (IBS) ogłosili znaczący przełom w dziedzinie akumulatorów półprzewodnikowych nowej generacji. Uważa się, że ich nowe odkrycia umożliwią stworzenie akumulatorów opartych na nowatorskim stałym elektrolicie na bazie chlorków, który wykazuje wyjątkową przewodność jonową.
Pilnym problemem w przypadku obecnych akumulatorów dostępnych na rynku jest ich uzależnienie od ciekłych elektrolitów, co prowadzi do łatwopalności i ryzyka wybuchu. Dlatego rozwój niepalnych elektrolitów stałych ma ogromne znaczenie dla postępu technologii akumulatorów półprzewodnikowych. W miarę jak świat przygotowuje się do wprowadzenia regulacji dotyczących pojazdów z silnikami spalinowymi i zwiększenia wykorzystania pojazdów elektrycznych w ramach trwającej globalnej zmiany w kierunku zrównoważonego transportu, badania nad podstawowymi elementami akumulatorów wtórnych, w szczególności akumulatorów półprzewodnikowych, nabrały znacznego tempa.
Aby akumulatory półprzewodnikowe były praktyczne w codziennym użytkowaniu, konieczne jest opracowanie materiałów o wysokiej przewodności jonowej, solidnej stabilności chemicznej i elektrochemicznej oraz elastyczności mechanicznej. Chociaż poprzednie badania pomyślnie doprowadziły do otrzymania stałych elektrolitów na bazie siarczków i tlenków o wysokiej przewodności jonowej, żaden z tych materiałów nie spełniał w pełni wszystkich tych zasadniczych wymagań.
W przeszłości naukowcy badali także stałe elektrolity na bazie chlorków, znane z doskonałej przewodności jonowej, elastyczności mechanicznej i stabilności przy wysokich napięciach. Te właściwości skłoniły niektórych do spekulacji, że akumulatory na bazie chlorków są najbardziej prawdopodobnymi kandydatami na akumulatory półprzewodnikowe. Jednak nadzieje te szybko wygasły, ponieważ akumulatory chlorkowe uznano za niepraktyczne ze względu na ich dużą zależność od drogich metali ziem rzadkich, w tym pierwiastków itru, skandu i lantanowców, jako składników wtórnych.
Aby rozwiać te obawy, zespół badawczy IBS przyjrzał się rozmieszczeniu jonów metali w elektrolitach chlorkowych. Uważali, że powodem, dla którego elektrolity z chlorków trygonalnych mogą osiągać niską przewodność jonową, jest zróżnicowanie rozmieszczenia jonów metali w strukturze.
Najpierw przetestowali tę teorię na chlorku litu i itru, powszechnym związku chlorku litu i metalu. Kiedy jony metali umieszczono w pobliżu ścieżki jonów litu, siły elektrostatyczne spowodowały utrudnienie w ich ruchu. I odwrotnie, jeśli zajętość jonów metali była zbyt niska, ścieżka dla jonów litu stawała się zbyt wąska, utrudniając ich mobilność.
Opierając się na tych spostrzeżeniach, zespół badawczy wprowadził strategie projektowania elektrolitów w sposób łagodzący te sprzeczne czynniki, co ostatecznie doprowadziło do pomyślnego opracowania stałego elektrolitu o wysokiej przewodności jonowej. Grupa poszła dalej, aby skutecznie zademonstrować tę strategię, tworząc półprzewodnikowy akumulator litowo-metalowo-chlorkowy na bazie cyrkonu, który jest znacznie tańszy niż warianty wykorzystujące metale ziem rzadkich. Był to pierwszy przypadek wykazania wpływu ułożenia jonów metali na przewodność jonową materiału.
Badania te rzucają światło na często pomijaną rolę rozkładu jonów metali w przewodnictwie jonowym stałych elektrolitów na bazie chlorków. Oczekuje się, że badania Centrum IBS utorują drogę do opracowania różnych elektrolitów stałych na bazie chlorków i w dalszym ciągu pobudzą komercjalizację akumulatorów półprzewodnikowych, obiecując lepszą przystępność cenową i bezpieczeństwo magazynowania energii.
Autor korespondencyjny KANG Kisuk stwierdza: „Ten nowo odkryty stały elektrolit na bazie chlorków może przekroczyć ograniczenia konwencjonalnych elektrolitów stałych na bazie siarczków i tlenków, przybliżając nas o krok do powszechnego zastosowania akumulatorów półprzewodnikowych”.