Dana 21. augusta, prof. MA Cheng sa Univerziteta nauke i tehnologije Kine (USTC) i njegovi saradnici predložili su efikasnu strategiju za rješavanje problema kontakta elektroda i elektrolita koji ograničava razvoj litijumskih baterija sljedeće generacije u čvrstom stanju. Kompozitna elektroda od čvrstog materijala kreirana na ovaj način pokazala je izuzetne kapacitete i brzine.
Zamjena organskog tekućeg elektrolita u konvencionalnim litijum-jonskim baterijama čvrstim elektrolitima može značajno ublažiti sigurnosne probleme i potencijalno probiti "stakleni plafon" za poboljšanje gustoće energije. Međutim, uobičajeni materijali za elektrode su također čvrste tvari. Budući da je kontakt između dvije čvrste tvari gotovo nemoguće ostvariti kao između čvrste i tekuće tvari, trenutno baterije bazirane na čvrstim elektrolitima obično pokazuju loš kontakt elektrode i elektrolita i nezadovoljavajuće performanse cijele ćelije.
„Problem kontakta elektroda i elektrolita kod čvrstih baterija donekle je poput najkraćeg štapa na drvenom buretu“, rekao je prof. MA Cheng sa USTC-a, glavni autor studije. „Zapravo, tokom ovih godina istraživači su već razvili mnoge odlične elektrode i čvrste elektrolite, ali loš kontakt između njih i dalje ograničava efikasnost transporta litijum-jonskih baterija.“
Srećom, MA-ova strategija bi mogla savladati ovaj ogroman izazov. Studija je započela ispitivanjem atom po atom nečistoće u prototipu čvrstog elektrolita perovskitne strukture. Iako se kristalna struktura nečistoće i čvrstog elektrolita znatno razlikovala, uočeno je da formiraju epitaksijalne međupovršine. Nakon niza detaljnih strukturnih i hemijskih analiza, istraživači su otkrili da je nečistoća izostrukturna sa slojevitim elektrodama visokog kapaciteta bogatim litijem. To jest, prototip čvrstog elektrolita može kristalizirati na "šablonu" koji formira atomski okvir visokoučinkovite elektrode, što rezultira atomski intimnim međupovršinama.
„Ovo je zaista iznenađenje“, rekao je prvi autor LI Fuzhen, koji je trenutno postdiplomski student USTC-a. „Prisustvo nečistoća u materijalu je zapravo vrlo česta pojava, toliko česta da će se većinu vremena ignorisati. Međutim, nakon što smo ih detaljno proučili, otkrili smo ovo neočekivano epitaksijalno ponašanje i ono je direktno inspirisalo našu strategiju za poboljšanje kontakta čvrsto-čvrsto.“
U poređenju sa uobičajeno usvojenim pristupom hladnog presovanja, strategija koju predlažu istraživači može ostvariti temeljit, besprijekoran kontakt između čvrstih elektrolita i elektroda na atomskoj skali, što se ogleda na slici dobijenoj elektronskom mikroskopijom atomske rezolucije. (Obezbijedio MA tim.)
Iskoristivši uočeni fenomen, istraživači su namjerno kristalizirali amorfni prah istog sastava kao i perovskitno strukturirani čvrsti elektrolit na površini slojevitog spoja bogatog litijumom i uspješno ostvarili temeljit, besprijekoran kontakt između ova dva čvrsta materijala u kompozitnoj elektrodi. Rješavanjem problema kontakta elektroda-elektrolit, takva kompozitna elektroda čvrsto-čvrsto materijale ostvarila je brzinu reakcije čak usporedivu s onom kod kompozitne elektrode čvrsto-tekućina. Što je još važnije, istraživači su također otkrili da ova vrsta epitaksijalnog kontakta čvrsto-čvrsto materijale može tolerirati velika neusklađenost rešetke, te bi stoga strategija koju su predložili mogla biti primjenjiva i na mnoge druge perovskitne čvrste elektrolite i slojevite elektrode.
„Ovaj rad je ukazao na smjer koji vrijedi slijediti“, rekao je MA. „Primjena ovdje iznesenog principa na druge važne materijale mogla bi dovesti do još boljih performansi ćelija i zanimljivije nauke. Radujemo se tome.“
Istraživači namjeravaju nastaviti svoja istraživanja u ovom smjeru i primijeniti predloženu strategiju na druge katode visokog kapaciteta i visokog potencijala.
Studija je objavljena u časopisu Matter, vodećem časopisu Cell Pressa, pod naslovom „Atomski bliski kontakt između čvrstih elektrolita i elektroda za litijumske baterije“. Prvi autor je LI Fuzhen, postdiplomski student USTC-a. Među saradnicima prof. MA Chenga su prof. NAN Ce-Wen sa Univerziteta Tsinghua i dr. ZHOU Lin iz Ames laboratorije.
(Škola za hemiju i nauku o materijalima)
Link za članak: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Vrijeme objave: 03.06.2019.