Augusztus 21-én MA Cheng professzor, a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem (USTC) munkatársai és munkatársai hatékony stratégiát javasoltak az elektróda-elektrolit érintkezési probléma kezelésére, amely korlátozza a következő generációs szilárdtest lítium akkumulátorok fejlesztését. Az így létrehozott szilárd-szilárd kompozit elektróda kivételes kapacitást és sebességteljesítményt mutatott.
A hagyományos lítium-ion akkumulátorokban a szerves folyékony elektrolit szilárd elektrolitokkal való helyettesítése nagymértékben enyhítheti a biztonsági problémákat, és potenciálisan áttörheti az „üvegplafont” az energiasűrűség javítása terén. Azonban a hagyományos elektródaanyagok is szilárdak. Mivel két szilárd anyag közötti érintkezés szinte lehetetlen olyan szoros, mint a szilárd és a folyékony halmazállapotú anyagok között, a jelenlegi szilárd elektrolitokon alapuló akkumulátorok jellemzően rossz elektróda-elektrolit érintkezést és nem kielégítő teljes cellás teljesítményt mutatnak.
„A szilárdtest akkumulátorok elektróda-elektrolit érintkezési problémája némileg olyan, mint egy fahordó legrövidebb dongája” – mondta MA Cheng professzor az USTC-től, a tanulmány vezető szerzője. „Valójában az elmúlt években a kutatók már számos kiváló elektródát és szilárd elektrolitot fejlesztettek ki, de a közöttük lévő rossz érintkezés továbbra is korlátozza a lítium-ion szállítás hatékonyságát.”
Szerencsére az MA stratégiája leküzdheti ezt a komoly kihívást. A tanulmány egy perovszkit szerkezetű szilárd elektrolit prototípusának szennyező fázisának atomonkénti vizsgálatával kezdődött. Bár a szennyező és a szilárd elektrolit kristályszerkezete nagymértékben eltért, megfigyelték, hogy epitaxiális határfelületeket képeznek. Részletes szerkezeti és kémiai elemzések sorozata után a kutatók felfedezték, hogy a szennyező fázis izostrukturális a nagy kapacitású lítiumban gazdag réteges elektródákkal. Vagyis egy prototípus szilárd elektrolit kristályosodhat a nagy teljesítményű elektróda atomváza által alkotott „sablonon”, ami atomosan intim határfelületeket eredményez.
„Ez valóban meglepetés” – mondta az első szerző, LI Fuzhen, aki jelenleg az USTC végzős hallgatója. „A szennyeződések jelenléte az anyagban valójában nagyon gyakori jelenség, annyira gyakori, hogy az esetek többségében figyelmen kívül hagyjuk őket. Miután azonban közelebbről megvizsgáltuk őket, felfedeztük ezt a váratlan epitaxiális viselkedést, és ez közvetlenül inspirálta a szilárdtest-szilárd érintkezés javítására irányuló stratégiánkat.”
Az általánosan alkalmazott hidegsajtolásos megközelítéshez képest a kutatók által javasolt stratégia atomi szinten alapos, zökkenőmentes érintkezést tud megvalósítani a szilárd elektrolitok és az elektródák között, amint azt az atomi felbontású elektronmikroszkópos kép is tükrözi. (Az MA csapata biztosította.)
A megfigyelt jelenséget kihasználva a kutatók szándékosan kristályosították a perovszkit szerkezetű szilárd elektrolit összetételével megegyező amorf port egy lítiummal gazdag réteges vegyület felületén, és sikeresen megvalósították a két szilárd anyag közötti alapos, varratmentes érintkezést egy kompozit elektródában. Az elektróda-elektrolit érintkezési probléma megoldásával egy ilyen szilárd-szilárd kompozit elektróda olyan sebességképességet biztosított, amely összemérhető volt egy szilárd-folyékony kompozit elektródéval. Ami még fontosabb, a kutatók azt is megállapították, hogy ez a fajta epitaxiális szilárd-szilárd érintkezés nagy rácsbeli eltéréseket is tolerálhat, így az általuk javasolt stratégia számos más perovszkit szilárd elektrolit és réteges elektróda esetében is alkalmazható lehet.
„Ez a munka egy olyan irányt mutatott, amelyet érdemes követni” – mondta MA. „Az itt felvetett elv más fontos anyagokra való alkalmazása még jobb sejtteljesítményhez és érdekesebb tudományhoz vezethet. Izgatottan várjuk.”
A kutatók folytatni kívánják a kutatásaikat ebben az irányban, és a javasolt stratégiát más nagy kapacitású, nagy potenciálú katódokra is alkalmazni kívánják.
A tanulmány a Cell Press kiemelt folyóiratában, a Matterben jelent meg „Atomilag intim érintkezés szilárd elektrolitok és elektródák között lítium akkumulátoroknál” címmel. Az első szerző LI Fuzhen, az USTC végzős hallgatója. MA Cheng professzor munkatársai között van NAN Ce-Wen professzor a Tsinghua Egyetemről és Dr. ZHOU Lin az Ames Laboratóriumból.
(Kémiai és Anyagtudományi Kar)
Cikk linkje: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Közzététel ideje: 2019. június 3.