Kinijos tyrėjų komanda sukūrė lanksčią kompozitinę kietojo elektrolito medžiagą, kuri pasižymi skystiesiems elektrolitams artimu joniniu laidumu ir gali veikti be išorinės spaudimo apkrovos. Šis pasiekimas gali reikšmingai priartinti visiškai kietojo elektrolito ličio baterijas prie praktinio pritaikymo.
Iki šiol kietieji elektrolitai laikyti viena perspektyviausių technologijų kuriant saugesnes ir didesnės energijos talpos baterijas, nes jie pakeičia degius skystuosius elektrolitus. Vis dėlto dauguma didelio laidumo kietųjų medžiagų yra trapios, o geram kontaktui tarp baterijos komponentų užtikrinti dažnai reikia didelio išorinio slėgio. Tai didina konstrukcijos sudėtingumą ir kainą.
Naujasis sprendimas šį kompromisą įveikia atskirdamas jonų pernašą nuo mechaninio lankstumo sluoksninėje struktūroje. Užuot bandžius visas savybes sujungti vienoje medžiagoje, kompozitinėje architektūroje skirtingi sluoksniai atlieka skirtingas funkcijas. Taip vienu metu pasiekiamas ir didelis laidumas, ir elastingumas.
Elektrolitą sudaro pakaitomis išdėstyti statmenai orientuoti LixMyPS3 (LiMPS, kur M – Cd arba Mn) nanosluoksniai ir polietileno oksido (PEO) sluoksniai. Neorganiniai sluoksniai sudaro nenutrūkstamus superjoninius kanalus, o polimerinė matrica suteikia lankstumo ir padeda išlaikyti artimą kontaktą su elektrodais net ir be stipraus suspaudimo.
Bandymų metu PA-LiCdPS/PEO varianto joninis laidumas 25 °C temperatūroje pasiekė 10,2 mS·cm−1 – tai lygis, artimas skystiesiems elektrolitams. Manganą turintis analogas PA-LiMnPS/PEO tokiomis pačiomis sąlygomis pasiekė 6,1 mS·cm−1. Tai rodo, kad pats struktūrinis principas veiksmingas ir skirtingose cheminėse sistemose.
Be didelio laidumo, medžiaga išlaikė ir mechaninį lankstumą. Dėl to baterijos elementai galėjo kompensuoti elektrodų tūrio pokyčius ciklavimo metu nereikalaudami didelės išorinės spaudimo apkrovos. Įprastai tokio tipo elektrolitams būtinas slėgis svyruoja nuo kelių iki šimtų megapaskalių.
Naudojant PA-LiCdPS/PEO elektrolitą, Li||LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 tipo monetiniai elementai, veikę esant mažesniam nei 0,5 MPa slėgiui, po 600 ciklų išsaugojo 92 % pradinės talpos. Taip pat sukurti beveik be spaudimo veikiantys Li||LiFePO4 tipo maišeliniai elementai, kuriuose slėgis neviršijo 0,1 MPa.
Dar vienas svarbus aspektas – atsparumas drėgmei. Daugelis sulfidinių elektrolitų drėgname ore greitai skyla ir gali išskirti vandenilio sulfidą. Tuo tarpu naujasis PA-LiMPS/PEO elektrolitas net ir po septynių dienų drėgno oro poveikio išlaikė didelį laidumą ir praktiškai neišskyrė H2S.
Šis darbas parodė, kad didelis joninis laidumas ir mechaninis elastingumas nebūtinai turi konkuruoti tarpusavyje. Sluoksninė, biomimetinė architektūra leidžia suderinti šias savybes vienoje sistemoje. Jei technologiją pavyks sėkmingai pritaikyti pramoniniu mastu, kietojo elektrolito baterijos gali tapti realia alternatyva elektromobiliuose ir energijos kaupimo sistemose, kur ypač svarbūs saugumas, ilgaamžiškumas ir paprastesnė konstrukcija.
