В последние годы твердотельные аккумуляторы привлекают все больший интерес из-за их потенциально высокой плотности энергии и превосходной безопасности по сравнению с обычными металл-ионными аккумуляторами, использующими жидкий электролит, что и является чрезвычайно важным для создания электрохимических систем хранения энергии следующего поколения. Для полностью твердотельных аккумуляторов требуются твердые электролиты с высокой ионной проводимостью, низкой электронной проводимостью и хорошей механической совместимостью с активными материалами, и широким диапазоном электрохимической стабильности.
Среди твердых металл-проводящих электролитов (ТЭЛ) были подробно исследованы неорганические ТЭЛ на основе сульфидов и оксидов. К сожалению, этим материалам трудно достичь удовлетворительного баланса между проводимостью и химической стабильностью. Применение оксидов страдает от высокого импеданса границ зерен, а сульфиды имеют недостаточную стабильность, обусловленную их низкой устойчивостью к окислению и плохой совместимостью со щелочными металлами. Огромный прорыв, произошедший в 2018 году, вызвал новый всплеск исследований в области галогенидных твердых электролитов. По сравнению с оксидными и сульфидными ТЭЛ, неорганические галогениды обладают более сбалансированными свойствами в различных аспектах, включая ионную проводимость, электрохимическую стабильность и влагостойкость.
В данном проекте предполагается развитие научных принципов для решения одной из фундаментальных проблем химии твердого тела и современного материаловедения, связанной с пониманием химических и физических принципов, определяющих функциональные свойства создаваемых материалов. Это является важным фактором для разработки получения новых твердых электролитов для металл-ионных аккумуляторов с контролируемыми транспортными характеристиками и повышенной химической и электрохимической стабильностью. Одним из наиболее эффективных способов влияния на диффузионные параметры данного поликристаллического ионного проводника является существенное изменение морфологии и уменьшение размера его частиц до нанометрового диапазона, т. е. значительное увеличение доли межфазных областей, что позволит варьировать вклады объемной и поверхностной диффузии носителей заряда в суперионном проводнике. Это приводит к необходимости решения серьезной и важной исследовательской задачи — развития современных методов синтеза наноструктурированных твердофазных материалов и их комплексной характеризации. Второй аспект - гетеровалентное и изовалентное замещение, при котором происходит повышение ионной проводимости за счет увеличения концентрации атомных дефектов (вакансий и междоузельных ионов, как локальных компенсаторов избыточного или недостающего заряда в гетеровалентных твердых растворах), а также за счет изменения структурных параметров кристалла (межплоскостных расстояний, локальной деформации кристаллической решётки и т.п.). В данном проекте планируется также активное применение подходов вычислительной химии – методов квантовой химии, классической молекулярной динамики, ab initio молекулярной динамики, позволяющих по возможности прояснить на основе адекватных моделей природу и механизмы ионного транспорта на атомном уровне, а также указать наиболее вероятные пути реализации более быстрого переноса основных носителей заряда в исследуемых твердых электролитах.