Skoltech-forskare och deras kollegor har visat att LATP, en fast elektrolyt som övervägs för användning i nästa generations energilagring, är mycket känslig för vatten, vilket har direkta konsekvenser för potentiell batteriprestanda och livslängd. Uppsatsen publicerades i tidskriften Materialkemi .

Även om förnybara energikällor tilldrar sig stort intresse över hela världen på grund av grön teknik och hög omvandlingseffektivitet, deras integration är fortfarande en utmaning eftersom förnybara energikällor till sin natur är cykliska och inkonsekventa. Som natt följer dag och lugn följer vind, viloläget följer strömgenereringen. En sådan oförutsägbart intermittent strömförsörjning kan inte uppfylla konsumenternas förväntningar, men det finns en lösning som kan övervinna detta hinder:energilagringsnät. Dessa system förväntas samla in spontant genererad energi och distribuera den vid behov, ger stabil och flexibel kraftleverans.

Bland det breda utbudet av energilagringssystem, redoxflödesbatterier verkar vara de mest lämpliga på grund av enkel skalbarhet, drift, och kontrollerbar uteffekt. Ett redoxflödesbatteri är, på ett sätt, ett konventionellt batteri vänt ut och in:Elektroderna är vätskor (anolyt och katolyt) medan den jonledande elektrolyten är ett fast membran. Egenskaperna hos detta membran avgör slutgiltig prestanda och livslängd för batteriet, så forskare överväger olika material, både oorganiska och polymera, som skulle vara lämplig för detta ändamål.

En av dessa föreningar är Li _1.3 Al _0,3 Ti _1.7 (PO ₄ ) ₃ , eller LATP. Det är ett välkänt litiumledande material som tillhör NSICON-familjen (uppkallat efter de första välbeskrivna natriumledande representanterna - Na Super Ionic Conductor). Denna familj definieras av en liknande kristallstruktur som bestämmer dess höga jonledningsförmåga.

LATP-konduktivitet och strukturella egenskaper beskrivs ganska grundligt, men dess stabilitet i vanliga miljöfaktorer som luft och vatten är fortfarande dåligt förstådd. Så Mariam Pogosova från Skoltech Center for Energy Science and Technology och hennes kollegor bestämde sig för att ta reda på om rent vatten påverkar LATP-egenskaperna.

"LATP väckte vår vetenskapliga nyfikenhet. En välkänd superionisk ledare, LATP har en stor potential för ytterligare kemiska och tekniska förbättringar. Vi visste dess begränsningar, såsom dåliga mekaniska egenskaper (sprödhet) och instabilitet mot metalliskt litium. Dock, dessa begränsningar var helt acceptabla eftersom vi planerade att kompensera dem genom att skapa kompositmaterial. Så vi började våra experiment, " förklarar Pogosova.

Tidigare studier av gruppen visade att LATP-keramer tappade ledningsförmåga ganska drastiskt när de lagrades i flera dagar i både omgivande luft och argon. Forskarna antog att luftfuktighet kan spela en nyckelroll i denna nedbrytning och satte sig för att utforska LATP-exponering för vatten.

Först, forskarna syntetiserade LATP genom den ursprungliga tvåstegsreaktionen i fast tillstånd. De lade sedan sina prover i avjoniserat vatten under olika tidsperioder upp till 12 timmar och genomförde efterföljande elektrokemiska, strukturell, kemiska och morfologiska analyser med stöd av teoretisk modellering.

Experimenten visade att LATP-keramik bryts ner avsevärt i kontakt med vattnet, förlorar upp till 64 % i total jonledningsförmåga efter ungefär två timmars exponering. Forskarna observerade också andra bevis på nedbrytning:mikrosprickning, kornformsförvrängning, bildandet av nanopartiklar, kemisk sammansättning förändras, enhetscellskrympning, intrastrukturella polyedrar och stamförändringar. Allt detta fick dem att dra slutsatsen att LATP-keramer är mycket känsliga för vatten och förmodligen olämpliga för användning i vattenhaltiga redoxflödesbatterier.

"Tydligen, påverkan av vatten är ett problem för rena LATP:er och deras lämplighet för redoxflödessystem, speciellt vattenhaltiga. Jag vill betona att det avjoniserade vatten/LATP-systemet som analyserades i denna studie inte representerar de verkliga redoxflödesbatteriernas tillstånd, eftersom anolyt/katolytlösningarna är mer komplexa. Därför, vid denna tidpunkt, Jag skulle inte försöka förutsäga framtiden för LATP. Ändå, Jag tror att den grundläggande kunskapen som erhållits redan är värdefull och användbar:Alla typer av vatten är nu helt klart en anledning att vara på alerten. Till exempel, nu, vi kan bevara den initiala prestandan hos LATP-keramik genom en enkel torkning och vakuumbehandling, " säger Mariam Pogosova.

Hon noterar också att förvånande, deras forskning är den första grundliga och mångsidiga studien av vattenpåverkan på LATP. "Så vi planerar fler studier för att förfina LATP-beteendet i andra medier för att avslöja om det kommer att fungera bra under redoxflödesförhållanden, " säger Pogosova.