Skoltech-onderzoekers en hun collega's hebben aangetoond dat LATP, een vaste elektrolyt die wordt overwogen voor gebruik in energieopslag van de volgende generatie, is zeer gevoelig voor water, wat directe gevolgen heeft voor de potentiële batterijprestaties en levensduur. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen .

Hoewel hernieuwbare energiebronnen wereldwijd veel belangstelling trekken vanwege groene technologieën en hoge conversie-efficiëntie, hun integratie blijft een uitdaging, aangezien hernieuwbare energiebronnen inherent cyclisch en inconsistent zijn. Zoals de nacht op de dag volgt en de rust op de wind, de inactieve modus volgt de stroomopwekking. Zo'n onvoorspelbare intermitterende stroomvoorziening kan niet voldoen aan de verwachtingen van de consument, maar er is een oplossing die dit obstakel kan overwinnen:energieopslagnetwerken. Van deze systemen wordt verwacht dat ze spontaan opgewekte energie verzamelen en op verzoek distribueren, voor een stabiele en flexibele vermogensafgifte.

Onder het brede scala aan energieopslagsystemen, Redox-flow-batterijen lijken het meest geschikt vanwege de eenvoudige schaalbaarheid, operatie, en regelbaar uitgangsvermogen. Een redoxflow-batterij is, op een manier, een conventionele batterij die binnenstebuiten is gekeerd:de elektroden zijn vloeistoffen (anolyt en katholyt), terwijl de ionengeleidende elektrolyt een vast membraan is. De eigenschappen van dit membraan bepalen de uiteindelijke prestaties en levensduur van de batterij, dus wetenschappers overwegen verschillende materialen, zowel anorganisch als polymeer, dat zou hiervoor geschikt zijn.

Een van deze verbindingen is Li _1.3 Al _0.3 Ti _1,7 (PO ₄ ) ₃ , of LATP. Het is een bekend lithiumgeleidend materiaal dat behoort tot de NASICON-familie (vernoemd naar de eerste goed beschreven natriumgeleidende vertegenwoordigers - Na Super Ionic CONductor). Deze familie wordt gedefinieerd door een vergelijkbare kristalstructuur die de hoge ionische geleidbaarheid bepaalt.

LATP-geleidingsvermogen en structurele kenmerken worden vrij grondig beschreven, maar de stabiliteit ervan in gewone omgevingsfactoren zoals lucht en water blijft slecht begrepen. Dus besloten Mariam Pogosova van het Skoltech Center for Energy Science and Technology en haar collega's om uit te zoeken of zuiver water LATP-eigenschappen beïnvloedt.

"LATP wekte onze wetenschappelijke nieuwsgierigheid op. Een bekende superionische geleider, LATP heeft een groot potentieel voor verdere chemische en technologische verbetering. We kenden zijn beperkingen, zoals slechte mechanische eigenschappen (brosheid) en instabiliteit ten opzichte van metallisch lithium. Echter, deze beperkingen waren heel acceptabel omdat we van plan waren ze te compenseren door het maken van composietmateriaal. Dus begonnen we onze experimenten, " legt Pogosova uit.

Eerdere studies van de groep toonden aan dat LATP-keramiek vrij drastisch aan geleidbaarheid verloor wanneer het gedurende meerdere dagen in zowel omgevingslucht als argon werd bewaard. De onderzoekers veronderstelden dat vochtigheid een sleutelrol zou kunnen spelen bij deze degradatie en gingen op zoek naar LATP-blootstelling aan water.

Eerst, de wetenschappers synthetiseerden LATP via de oorspronkelijke tweetraps vastestofreactie. Vervolgens legden ze hun monsters gedurende verschillende perioden tot 12 uur in gedeïoniseerd water en voerden vervolgens elektrochemische, structureel, chemische en morfologische analyses ondersteund door theoretische modellering.

De experimenten toonden aan dat LATP-keramiek aanzienlijk degradeert in contact met het water, verlies tot 64% van de totale ionische geleidbaarheid na ongeveer twee uur blootstelling. De wetenschappers observeerden ook ander bewijs van degradatie:microscheurtjes, korrelvorm vervorming, vorming van nanodeeltjes, chemische samenstelling verschuivingen, eenheidscelkrimp, intrastructurele veelvlakken en spanningsveranderingen. Dit alles leidde tot de conclusie dat LATP-keramiek zeer gevoelig is voor water en waarschijnlijk niet geschikt is voor gebruik in waterige redoxflow-batterijen.

"Blijkbaar, de impact van water is een punt van zorg voor pure LATP's en hun geschiktheid voor redox-flow-systemen, vooral waterige. Ik wil benadrukken dat het gedeïoniseerd water/LATP-systeem dat in deze studie is geanalyseerd, niet de echte redox-flow-batterijcondities vertegenwoordigt, omdat de anoliet/katholytoplossingen complexer zijn. Daarom, op dit punt, Ik zou niet proberen de toekomst van LATP te voorspellen. Hoe dan ook, Ik geloof dat de verkregen fundamentele kennis al waardevol en toepasbaar is:elke vorm van water is nu duidelijk een reden om alert te zijn. Bijvoorbeeld, nu, we kunnen de initiële prestaties van LATP-keramiek behouden door een eenvoudige droog- en vacuümbehandeling, ' zegt Mariam Pogosova.

Ze merkt ook op dat, verrassend genoeg, hun onderzoek is het eerste grondige en veelzijdige onderzoek naar de impact van water op LATP. "Dus we plannen meer studies om het LATP-gedrag in andere media te verfijnen om te onthullen of het goed zal presteren onder redox-flow-omstandigheden, ' zegt Pogosova.