Op 21 Augustus het prof. MA Cheng van die Universiteit van Wetenskap en Tegnologie van China (USTC) en sy medewerkers 'n effektiewe strategie voorgestel om die elektrode-elektroliet-kontakprobleem aan te spreek wat die ontwikkeling van volgende generasie vastetoestand-Li-batterye beperk. Die vastestof-vastestof-saamgestelde elektrode wat op hierdie manier geskep is, het uitsonderlike kapasiteite en tempoprestasies vertoon.
Die vervanging van die organiese vloeibare elektroliet in konvensionele Li-ioonbatterye met vaste elektroliete kan die veiligheidskwessies aansienlik verlig en moontlik die "glasplafon" vir energiedigtheidverbetering breek. Hoofstroom-elektrodemateriale is egter ook vaste stowwe. Aangesien die kontak tussen twee vaste stowwe byna onmoontlik is om so intiem te wees soos dié tussen vastestof en vloeistof, toon die batterye wat op vaste elektroliete gebaseer is tans tipies swak elektrode-elektrolietkontak en onbevredigende volselprestasies.
“Die elektrode-elektroliet-kontakprobleem van vastetoestandbatterye is ietwat soos die kortste staaf van 'n houtvat,” het prof. MA Cheng van USTC, die hoofskrywer van die studie, gesê. “Eintlik het navorsers oor die jare reeds baie uitstekende elektrodes en vaste elektroliete ontwikkel, maar die swak kontak tussen hulle beperk steeds die doeltreffendheid van litiumioonvervoer.”
Gelukkig kan MA se strategie hierdie gedugte uitdaging oorkom. Die studie het begin met die atoom-vir-atoom ondersoek van 'n onsuiwerheidsfase in 'n prototipe, perovskiet-gestruktureerde vaste elektroliet. Alhoewel die kristalstruktuur baie verskil het tussen die onsuiwerheid en die vaste elektroliet, is waargeneem dat hulle epitaksiale koppelvlakke vorm. Na 'n reeks gedetailleerde strukturele en chemiese ontledings het navorsers ontdek dat die onsuiwerheidsfase isostruktureel is met die hoëkapasiteit Li-ryke gelaagde elektrodes. Dit wil sê, 'n prototipe vaste elektroliet kan kristalliseer op die "sjabloon" wat gevorm word deur die atoomraamwerk van 'n hoëprestasie-elektrode, wat lei tot atooms intieme koppelvlakke.
“Dit is werklik ’n verrassing,” het die eerste outeur LI Fuzhen, wat tans ’n nagraadse student van USTC is, gesê. “Die teenwoordigheid van onsuiwerhede in die materiaal is eintlik ’n baie algemene verskynsel, so algemeen dat hulle meestal geïgnoreer sal word. Nadat ons hulle egter van naderby bekyk het, het ons hierdie onverwagte epitaksiale gedrag ontdek, en dit het ons strategie direk geïnspireer om die vastestof-vastestofkontak te verbeter.”
In vergelyking met die algemeen aanvaarde koudpersbenadering, kan die strategie wat deur die navorsers voorgestel word, 'n deeglike, naatlose kontak tussen vaste elektroliete en elektrodes op atoomskaal bewerkstellig, soos weerspieël in die atoomresolusie-elektronmikroskopiebeeld. (Verskaf deur MA se span.)
Deur voordeel te trek uit die waargenome verskynsel, het die navorsers doelbewus die amorfe poeier met dieselfde samestelling as die perovskiet-gestruktureerde vaste elektroliet op die oppervlak van 'n Li-ryke gelaagde verbinding gekristalliseer, en suksesvol 'n deeglike, naatlose kontak tussen hierdie twee vaste materiale in 'n saamgestelde elektrode bewerkstellig. Met die elektrode-elektroliet-kontakprobleem aangespreek, het so 'n vastestof-vastestof-saamgestelde elektrode 'n tempovermoë gelewer wat selfs vergelykbaar is met dié van 'n vastestof-vloeistof-saamgestelde elektrode. Boonop het die navorsers ook gevind dat hierdie tipe epitaksiale vastestof-vastestof-kontak groot roosterwanpassings kan verdra, en dus kan die strategie wat hulle voorgestel het ook van toepassing wees op baie ander perovskiet vaste elektroliete en gelaagde elektrodes.
“Hierdie werk het 'n rigting uitgewys wat die moeite werd is om na te streef,” het MA gesê. “Die toepassing van die beginsel wat hier geopper word op ander belangrike materiale kan lei tot selfs beter selprestasies en meer interessante wetenskap. Ons sien daarna uit.”
Die navorsers beoog om hul verkenning in hierdie rigting voort te sit, en die voorgestelde strategie toe te pas op ander hoëkapasiteit, hoëpotensiaal-katodes.
Die studie is gepubliseer op Matter, 'n vlagskipjoernaal van Cell Press, getiteld "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". Die eerste outeur is LI Fuzhen, 'n nagraadse student van USTC. Prof. MA Cheng se medewerkers sluit in prof. NAN Ce-Wen van Tsinghua Universiteit en dr. ZHOU Lin van Ames Laboratorium.
(Skool vir Chemie en Materiaalwetenskappe)
Skakel na referaat: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Plasingstyd: 3 Junie 2019