На 21 август, проф. М.А. Ченг од Универзитетот за наука и технологија на Кина (USTC) и неговите соработници предложија ефикасна стратегија за решавање на проблемот со контактот електрода-електролит, што го ограничува развојот на литиумски батерии во цврста состојба од следната генерација. Композитната електрода од цврсто тело создадена на овој начин покажа исклучителни капацитети и брзи перформанси.
Заменувањето на органскиот течен електролит во конвенционалните литиум-јонски батерии со цврсти електролити може значително да ги ублажи безбедносните проблеми и потенцијално да го сруши „стаклениот таван“ за подобрување на густината на енергијата. Сепак, материјалите за електроди во мејнстримот се исто така цврсти материи. Бидејќи контактот помеѓу две цврсти материи е речиси невозможно да биде толку близок како оној помеѓу цврста и течна материја, во моментов батериите базирани на цврсти електролити обично покажуваат слаб контакт електрода-електролит и незадоволителни перформанси на целата ќелија.
„Проблемот со контактот помеѓу електродата и електролитот кај батериите во цврста состојба е како најкратката летва на дрвено буре“, рече проф. М.А. Ченг од USTC, водечки автор на студијата. „Всушност, во текот на овие години истражувачите веќе развија многу одлични електроди и цврсти електролити, но слабиот контакт меѓу нив сè уште ја ограничува ефикасноста на транспортот на литиум-јони.“
За среќа, стратегијата на MA може да го надмине овој огромен предизвик. Студијата започна со испитување атом по атом на фаза со нечистотии во прототип, цврст електролит со перовскитна структура. Иако кристалната структура значително се разликуваше помеѓу нечистотијата и цврстиот електролит, беше забележано дека тие формираат епитаксијални интерфејси. По серија детални структурни и хемиски анализи, истражувачите открија дека фазата со нечистотии е изоструктурна со слоевитите електроди богати со литиум со висок капацитет. Тоа значи дека прототип на цврст електролит може да кристализира на „шаблонот“ формиран од атомската рамка на високо-перформансна електрода, што резултира со атомски блиски интерфејси.
„Ова е навистина изненадување“, рече првиот автор Л.И. Фужен, кој моментално е постдипломец на USTC. „Присуството на нечистотии во материјалот е всушност многу честа појава, толку честа што најчесто ќе бидат игнорирани. Сепак, откако внимателно ги разгледавме, откривме ова неочекувано епитаксијално однесување и тоа директно ја инспирираше нашата стратегија за подобрување на контактот цврсто-цврсто.“
Во споредба со вообичаено прифатениот пристап на ладно цедење, стратегијата предложена од истражувачите може да оствари темелен, беспрекорен контакт помеѓу цврстите електролити и електродите на атомско ниво, како што се гледа на сликата од електронска микроскопија со атомска резолуција. (Обезбедено од тимот на MA.)
Искористувајќи го набљудуваниот феномен, истражувачите намерно го кристализираа аморфниот прав со ист состав како и перовскит-структурираниот цврст електролит на површината на слоевито соединение богато со литиум и успешно реализираа темелен, беспрекорен контакт помеѓу овие два цврсти материјали во композитна електрода. Со решавање на проблемот со контактот електрода-електролит, таквата композитна електрода цврсто-цврста материја испорача брзина споедлива дури и со онаа од композитна електрода цврсто-течна. Поважно е што истражувачите открија дека овој тип на епитаксијален контакт цврсто-цврста материја може да толерира големи несовпаѓања на решетката, и затоа стратегијата што ја предложија би можела да се примени и на многу други перовскитни цврсти електролити и слоевити електроди.
„Оваа работа посочи насока што вреди да се следи“, рече М.А. „Применувањето на принципот што е изнесен овде на други важни материјали би можело да доведе до уште подобри перформанси на клетките и поинтересна наука. Со нетрпение го очекуваме тоа.“
Истражувачите имаат намера да продолжат со своето истражување во оваа насока и да ја применат предложената стратегија на други катоди со висок капацитет и висок потенцијал.
Студијата беше објавена во Matter, водечко списание на Cell Press, со наслов „Атомски интимен контакт помеѓу цврсти електролити и електроди за литиумски батерии“. Првиот автор е ЛИ Фужен, дипломиран студент на USTC. Меѓу соработниците на проф. М.А. Ченг се проф. НАН Це-Вен од Универзитетот Цингхуа и д-р ЖОУ Лин од лабораторијата „Ејмс“.
(Факултет за хемија и материјални науки)
Линк до трудот: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Време на објавување: 03.06.2019