Команда ученых из Нагойского университета исследовала оксифторидный электролит LLNOF – соединение лития, лантана и ниобия. Материал привлек внимание еще в 2024 году, когда показал unusually высокую для своего класса ионную проводимость на уровне 7 мСм/см. Однако до сих пор оставалось неясно, за счет чего литий перемещается в его структуре так быстро.
Теперь исследователи вырастили монокристаллы LLNOF и подробно изучили их атомное строение. Это позволило обнаружить механизм, который объясняет быструю миграцию лития внутри материала и открывает путь к дальнейшему улучшению характеристик.
Главное изменение – не просто новый рекорд по проводимости, а понимание того, как именно он достигается. Ученые установили, что при перемещении иона лития на вакантный узел ион фтора внутри структуры смещается, помогая «расчистить» путь для следующего переноса.
За счет такой локальной перестройки кристаллической решетки снижается энергетический барьер для движения лития. Это означает, что высокую проводимость можно получать не только благодаря традиционным подходам, но и через управляемую перестройку структуры вокруг фтора.
Этот материал может изменить будущее аккумуляторов
LLNOF – это твердый оксифторидный электролит на основе лития, лантана и ниобия, предназначенный для литий-ионных батарей. В новой работе материал показал ионную проводимость 16,3 мСм/см, что стало рекордом среди оксидных твердых электролитов. Для сравнения, в 2024 году этот же материал демонстрировал показатель 7 мСм/см. Структура LLNOF включает тетраэдрическое окружение центрального иона фтора, а соседние узлы в решетке могут быть заняты литием, лантаном или оставаться вакантными. При перемещении иона лития на свободный узел фтор смещается, изменяя локальную структуру и снижая энергетический барьер для следующего переноса, что и обеспечивает аномально высокую подвижность лития. По сочетанию безопасности и проводимости материал рассматривается как перспективная альтернатива сульфидным твердым электролитам.
Ранее LLNOF уже считался перспективным материалом, но его преимущества были зафиксированы в первую очередь на уровне результата: высокая проводимость без ясного объяснения причин. Новая работа отличается сразу по двум направлениям.
Во-первых, проводимость удалось повысить более чем вдвое – с 7 до 16,3 мСм/см. Во-вторых, ученые впервые описали сам физический механизм переноса, связанный со смещением фтора и конфигурацией вакантных узлов. Это превращает LLNOF из просто удачного материала в платформу для целенаправленного проектирования новых электролитов.
Одна из главных проблем современных аккумуляторов – компромисс между безопасностью и производительностью. Жидкие электролиты легко воспламеняются, а твердые сульфидные и хлоридные материалы, хотя и обеспечивают высокую проводимость, могут выделять токсичные газы при контакте с влагой.
Оксиды и оксифториды гораздо стабильнее, но обычно уступают по проводимости. Если этот разрыв удается сократить, появляется шанс создать твердотельные батареи, которые будут одновременно безопасными, эффективными и пригодными для массового применения.
Следующий этап – подтверждение стабильности материала, масштабируемости производства и совместимости с реальными аккумуляторными архитектурами.
Для России развитие безопасных твердотельных электролитов особенно актуально в контексте локализации технологий хранения энергии, электромобильности, промышленной электроники и систем резервного питания. Если оксидные материалы с высокой проводимостью удастся довести до производства, это может снизить зависимость от более токсичных и сложных в обращении решений.
Кроме того, подобные исследования важны для российских научных центров и производителей аккумуляторов как ориентир: будущее отрасли, вероятно, будет связано не только с ростом энергоемкости, но и с повышением безопасности материалов.
Новые материалы могут изменить энергетику устройств будущего, а новые каналы связи – способы их применения за пределами Земли. Очередное подтверждение этому пришло из Китая. Завершились испытания двусторонней лазерной связи на расстоянии более 400 000 км. Технология обеспечила передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с и может стать основой для будущих лунных миссий, передачи научной информации и строительства лунной базы.
Источник: Хайтек+
