21. avgusta je prof. MA Cheng z Univerze za znanost in tehnologijo Kitajske (USTC) s sodelavci predlagal učinkovito strategijo za reševanje problema stika med elektrodo in elektrolitom, ki omejuje razvoj trdnih litijevih baterij naslednje generacije. Kompozitna elektroda trdno-trdno, ustvarjena na ta način, je pokazala izjemne zmogljivosti in hitrosti delovanja.
Zamenjava organskega tekočega elektrolita v običajnih litij-ionskih baterijah s trdnimi elektroliti lahko močno zmanjša varnostne težave in potencialno prebije "stekleni strop" za izboljšanje gostote energije. Vendar pa so tudi običajni elektrodni materiali trdne snovi. Ker je stik med dvema trdnima snovma skoraj nemogoč tako tesen kot med trdno snovjo in tekočino, trenutno baterije na osnovi trdnih elektrolitov običajno kažejo slab stik med elektrodami in elektroliti ter nezadovoljivo delovanje celotne celice.
»Težava s stikom elektrod in elektrolitov pri trdnih baterijah je nekoliko podobna najkrajšemu lesenemu sodu,« je dejal prof. MA Cheng iz USTC, glavni avtor študije. »Pravzaprav so raziskovalci v teh letih že razvili veliko odličnih elektrod in trdnih elektrolitov, vendar slab stik med njimi še vedno omejuje učinkovitost transporta litij-ionskih baterij.«
Na srečo lahko strategija MA premaga ta ogromen izziv. Študija se je začela z atomsko preiskavo nečistočne faze v prototipnem trdnem elektrolitu s perovskitno strukturo. Čeprav se je kristalna struktura nečistoče in trdnega elektrolita zelo razlikovala, so opazili, da tvorita epitaksialne vmesnike. Po seriji podrobnih strukturnih in kemijskih analiz so raziskovalci odkrili, da je nečistočna faza izostrukturna z visokozmogljivimi plastovitimi elektrodami, bogatimi z litijem. To pomeni, da lahko prototip trdnega elektrolita kristalizira na "šabloni", ki jo tvori atomski okvir visokozmogljive elektrode, kar ima za posledico atomsko tesne vmesnike.
»To je resnično presenečenje,« je dejal prvi avtor LI Fuzhen, ki je trenutno podiplomski študent USTC. »Prisotnost nečistoč v materialu je pravzaprav zelo pogost pojav, tako pogost, da jih večino časa prezremo. Vendar smo po natančnem pregledu odkrili to nepričakovano epitaksialno vedenje, ki je neposredno navdihnilo našo strategijo za izboljšanje stika trdnih snovi.«
V primerjavi s splošno sprejetim pristopom hladnega stiskanja lahko strategija, ki so jo predlagali raziskovalci, doseže temeljit, brezhiben stik med trdnimi elektroliti in elektrodami na atomski ravni, kar se odraža na sliki elektronske mikroskopije z atomsko ločljivostjo. (Zagotovila ekipa MA.)
Raziskovalci so izkoristili opaženi pojav in namerno kristalizirali amorfni prah z enako sestavo kot perovskitno strukturiran trdni elektrolit na površini plastovite spojine, bogate z litijem, ter uspešno dosegli temeljit in brezhiben stik med tema dvema trdnima materialoma v kompozitni elektrodi. Z odpravo problema stika elektrode in elektrolita je takšna kompozitna elektroda med trdno snovjo dosegla hitrost, ki je primerljiva s tisto pri kompozitni elektrodi med trdno in tekočo snovjo. Še pomembneje pa je, da so raziskovalci ugotovili tudi, da ta vrsta epitaksialnega stika med trdno in trdno snovjo prenaša velika neusklajenost mreže, zato bi lahko predlagano strategijo uporabili tudi za številne druge perovskitne trdne elektrolite in plastovite elektrode.
»To delo je pokazalo smer, ki jo je vredno zasledovati,« je dejal MA. »Uporaba tukaj omenjenega načela pri drugih pomembnih materialih bi lahko vodila do še boljših celičnih zmogljivosti in bolj zanimive znanosti. Veselimo se tega.«
Raziskovalci nameravajo nadaljevati z raziskovanjem v tej smeri in predlagano strategijo uporabiti za druge visokozmogljive katode z visokim potencialom.
Študija je bila objavljena v reviji Matter, vodilni reviji Cell Press, z naslovom »Atomsko tesen stik med trdnimi elektroliti in elektrodami za litijeve baterije«. Prvi avtor je LI Fuzhen, podiplomski študent USTC. Med sodelavci prof. MA Chenga sta prof. NAN Ce-Wen z Univerze Tsinghua in dr. ZHOU Lin iz laboratorija Ames.
(Šola za kemijo in materialne znanosti)
Povezava do članka: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Čas objave: 3. junij 2019